Method Article

Wykorzystanie wzoru kleju do budowy urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D

DOI:

10.3791/53805

⸱

April 1st, 2016

 , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Department of Bioengineering, University of California, Riverside, 3Stem Cell Center, University of California, Riverside

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pokazujemy użycie wzorzystych klejów aerozolowych do budowy 3D papierowych urządzeń mikroprzepływowych. Ta metoda nakładania kleju tworzy półtrwałe wiązania między warstwami, umożliwiając nieniszczący demontaż urządzeń jednorazowego użytku po użyciu i ułatwiając składanie złożonych struktur niepłaskich.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pokazujemy użycie wzorzystych klejów aerozolowych do budowy zarówno płaskich, jak i nieplanarnych urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D. Rozpylając klej w aerozolu przez metalowy szablon, można znacznie zmniejszyć całkowitą ilość kleju używanego do montażu papierowych urządzeń mikroprzepływowych. Pokazujemy na prostym, 4-warstwowym, płaskim papierowym urządzeniu mikroprzepływowym, że optymalna technika nakładania kleju i styl konstrukcji urządzenia zależą w dużej mierze od pożądanych parametrów działania. Dzięki umiarkowanemu zwiększeniu całkowitej powierzchni urządzenia możliwe jest radykalne skrócenie czasu odprowadzania wilgoci i zwiększenie wskaźników sukcesu urządzenia, jednocześnie zmniejszając ilość kleju wymaganego do utrzymania urządzenia razem. Takie nakładanie kleju powoduje również, że klej tworzy półtrwałe wiązania zamiast trwałych połączeń między warstwami papieru, co umożliwia nieniszczący demontaż urządzeń jednorazowego użytku po użyciu. Niepłaskie urządzenia origami 3D również korzystają z półtrwałych połączeń podczas składania, ponieważ zmniejsza to prawdopodobieństwo, że niepowiązane ze sobą twarze mogą przypadkowo się skleić. Podobnie jak urządzenia płaskie, struktury niepłaskie odnotowują skrócony czas odprowadzania wilgoci dzięki wzorzystemu nakładaniu kleju w porównaniu z klejem nakładanym równomiernie.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W ostatnich latach, papierowa mikrofluidyka zyskała znaczną popularność ze względu na swój potencjał do dostarczania tanich urządzeń diagnostycznych w miejscu opieki nad pacjentem (POC). 1-3 urządzenia POC oferują funkcjonalność podobną do testów laboratoryjnych w formacie pozwalającym na stosunkowo szybkie uzyskanie wyników. Urządzenia POC wykonane z papieru są tanią, lekką i łatwą w użyciu alternatywą dla drogich chipów mikroprzepływowych i zminiaturyzowanych laboratoriów, dzięki czemu idealnie nadają się do użytku w warunkach ograniczonych zasobów. Najpopularniejszymi papierowymi urządzeniami mikroprzepływowymi są jednowymiarowe urządzenia z przepływem bocznym, ale planarne trójwymiarowe (3D) papierowe urządzenia mikroprzepływowe dają nadzieję na zapewnienie multipleksowanych urządzeń diagnostycznych4, które zajmują znacznie mniejszą powierzchnię niż wymagałoby tego urządzenie 2D5 i odpowiednio wykorzystują mniejszą objętość próbki.

Początkowo, płaskie urządzenia mikroprzepływowe z papieru 3D były montowane pojedynczo, warstwa po warstwie z wzorzystymi warstwami papieru na przemian z laserowo wycinaną dwustronną taśmą. Starannie wyrównane otwory wycięte w warstwie taśmy zostały wypełnione proszkiem celulozy, aby zapewnić transport płynu między warstwami. 4 Następnie opracowano szereg alternatywnych metod6-9, z których każda ulepszała inne aspekty urządzeń. W szczególności, dzięki rezygnacji z klejów, urządzenia mogą być składane za pomocą technik origami z warstwami utrzymywanymi razem przez zewnętrzny zacisk. 8 Eliminuje to wszelkie potencjalne zakłócenia związane z klejem w teście diagnostycznym i umożliwia rozłożenie urządzenia po użyciu, co potencjalnie pozwala na uzyskanie jeszcze mniejszych objętości próbek dzięki wewnętrznemu wyświetlaniu wyników. Alternatywnie, dzięki zastosowaniu kleju w aerozolu nakładanego między każdą warstwę papieru, arkusze urządzeń mogą być składane jednocześnie, bez czasochłonnego tworzenia wzorów i wyrównywania taśmy. 9

Jednakże, poprzez nałożenie kleju aerozolowego za pomocą szablonu, można uzyskać korzyści z obu tych technik. Rozpylając klej przez szablon, tylko część kleju jest nakładana na urządzenie, co minimalizuje potencjalne zakłócenia w przenoszeniu płynów międzywarstwowych. Dodatkowo, przy starannym doborze szablonu, można nałożyć wzór kleju, który powoduje półtrwałe wiązanie kleju, umożliwiając rozłożenie urządzeń po użyciu, zapewniając jednocześnie wystarczający kontakt międzywarstwowy, aby umożliwić przenikanie płynu między warstwami.

Na koniec, nakładanie klejów w aerozolu za pomocą szablonu ułatwia budowę niepłaskich urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D, minimalizując ilość kleju nakładanego na sąsiednie powierzchnie, które mogą wymagać częstego składania i rozkładania podczas budowy. 10 Dodatkowo zastosowanie wzorzystego kleju umożliwia rozłożenie urządzenia po użyciu w celu wygodniejszego przechowywania. Oczekuje się, że nieplanarne urządzenia mikroprzepływowe z papieru 3D będą używane do zadań, które w innym przypadku byłyby niemożliwe w płaskim urządzeniu 3D. Rysunek 1 przedstawia ogólny przebieg procesu wykorzystywanego do konstruowania zarówno płaskich, jak i nieplanarnych urządzeń 3D.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Planarne urządzenie 4-warstwowe (warstwy ułożone) Konstrukcja

  1. Wydrukuj tablice każdej warstwy urządzenia9 na każdym kawałku bibuły filtracyjnej za pomocą drukarki na stały atrament. 11,12 Umieścić bibułę filtracyjną na płycie grzejnej w temperaturze 170 °C na 2 minuty. Spowoduje to stopienie tuszu na bazie wosku i pozwoli mu w pełni wniknąć w grubość papieru, tworząc bariery hydrofobowe.
    UWAGA: Dokładne użyte projekty są dostępne jako pliki uzupełniające.
  2. Wyjmij bibułę filtracyjną z płyty grzejnej i pozwól jej ostygnąć do temperatury pokojowej.
  3. Umieść 4 μl barwnika o masie 5 mM (czerwony: czerwień Allura; żółty: tartrazyna; niebieski: sól disodowa erioglaucyny; zielony: mieszanina tartrazyny: sól disodowa erioglucyny w stosunku 10:1) w każdej gałęzi (jeden kolor na gałąź) warstwy 3 (trzecia warstwa od góry ukończonego urządzenia) za pomocą mikropipety.
  4. Zacznij od najniższej warstwy. Zaciśnij bibułę filtracyjną między szablonem a sztywnym podłożem, takim jak kawałek szkła płaskiego, za pomocą spinaczy do segregatorów lub innej podobnej metody tymczasowej. Upewnij się, że szablon przylega płasko do papieru. Zminimalizuje to wszelkie cienie w sprayu rzucane przez szablon na papier.
  5. Klej (patrz lista materiałów i sprzętu) należy nanosić w ciągu około 1,33 sekundy (cztery razy przy 180 uderzeniach na minutę) z odległości około 24 cm.9,10 W tym czasie przesuwaj puszkę z klejem po szablonie w średnim tempie. Zbyt wolne przesuwanie się po szablonie spowoduje gromadzenie się kleju na samym szablonie, zatykając go. Zbyt szybki przesuw nie spowoduje osadzenia wystarczającej ilości kleju na papierze. Cztery przejścia w tym czasie (góra-dół-góra-dół) wystarczą, aby zapobiec powstawaniu cieni w sprayu.
  6. Usuń szablon i umieść kolejną warstwę urządzenia (ponumerowane warstwy są dostępne jako pliki dodatkowe) na świeżo spryskanej warstwie, wyrównując krawędzie papieru. Mocno dociśnij obie warstwy do siebie.
  7. Wymień szablon i powtórz proces natryskiwania dla każdej warstwy urządzenia. Usuń stos urządzeń i umieść taśmę pakową na dolnej warstwie. Zapobiega to wyciekom płynów z urządzenia. Wytnij poszczególne urządzenia z arkusza za pomocą nożyczek, podążając za krawędzią drukowanego obszaru.

2. Planarne 4-warstwowe urządzenie (składane warstwy origami) Budowa

  1. Wydrukuj arkusze zawierające wszystkie warstwy urządzenia na bibule filtracyjnej za pomocą drukarki na stały atrament. Umieścić bibułę filtracyjną na płycie grzejnej w temperaturze 170 °C na 2 minuty. Wyjmij bibułę filtracyjną z płyty grzejnej i pozwól jej ostygnąć do RT.
    UWAGA: Dokładne użyte projekty są dostępne jako pliki uzupełniające.
  2. Umieścić 4 μl barwnika o stężeniu 5 mM (czerwony: czerwień Allura; żółty: tartrazyna; niebieski: sól disodowa erioglaucyny; zielony: mieszanina tarrazyny: sól disodowa erioglaucyny w stosunku 10:1) w każdej gałęzi (jeden kolor na gałąź) warstwy 3 (trzecia warstwa od góry ukończonego urządzenia) za pomocą mikropipety.
  3. Zaciśnij arkusz urządzeń między szablonem a sztywnym podłożem, takim jak kawałek szkła płaskiego, za pomocą spinaczy do segregatorów lub innej podobnej metody tymczasowej. Upewnij się, że szablon przylega płasko do papieru.
  4. Klej (patrz lista materiałów i sprzętu) należy nanosić w ciągu około 1,33 sekundy (cztery razy przy 180 uderzeniach na minutę) z odległości około 24 cm. Cztery przejścia w tym czasie (góra-dół-góra-dół) wystarczą, aby zapobiec powstawaniu cieni w sprayu.
  5. Usuń szablon i odwróć arkusz. Wymień szablon i spryskaj tylną stronę papieru. Zdejmij arkusz urządzeń i zacznij składać w plisę harmonijkową, jak pokazano na rysunku 1. Wytnij każde urządzenie z arkusza za pomocą nożyczek, podążając za krawędzią drukowanego obszaru. Umieść taśmę pakową w poprzek dolnej warstwy.

3. Budowa urządzenia nieplanarnego (origami)

  1. Wydrukuj urządzenie (Rysunek 2A) na bibule filtracyjnej za pomocą drukarki na stały atrament i umieść bibułę filtracyjną na płycie grzejnej w temperaturze 170 °C na 2 minuty. Wyjmij urządzenie z płyty grzejnej i pozwól mu ostygnąć do RT.
    UWAGA: Dokładne użyte projekty są dostępne jako pliki uzupełniające.
  2. Wydrukuj wzór zagnieceń (Rysunek 2C) na papierze drukarki za pomocą drukarki na stały atrament i przytnij do rozmiaru bibuły filtracyjnej. Umieść wzór zagnieceń na płycie grzejnej w temperaturze 170 °C na 2 minuty, aby stopić wosk, dzięki czemu wzór będzie widoczny z obu stron papieru. Usuń zagniecenia z płyty grzejnej i pozwól jej ostygnąć do RT.
  3. Dopasuj krawędzie wzoru zagnieceń do krawędzi papieru zawierającego wzory kanałów i przymocuj dwa kawałki papieru za pomocą spinaczy do segregatora lub innej podobnej metody tymczasowej.
  4. Obrysuj wzór zagnieceń rysikiem, przykładając wystarczającą siłę, aby na arkuszu urządzenia pojawiły się ślady, ale nie tak mocno, aby papier z wzorem zagnieceń rozerwał się. W takim przypadku urządzenie może ulec uszkodzeniu. Wstępne bigowanie powoduje, że papier składa się znacznie łatwiej i pozwala na większą dokładność i precyzję składania.
  5. Rozpocznij składanie urządzenia od fałd górskich i dolinowych zgodnie ze wzorem zagnieceń. Po nałożeniu kleju całe urządzenie należy bardzo szybko zmontować, dlatego bardzo pomocne jest złożenie urządzenia tak bardzo, jak to możliwe przed nałożeniem kleju.
  6. Po złożeniu urządzenia rozłóż je, aby odsłonić części urządzenia, które wymagają kleju. Wytnij maski (Rysunek 2D), które ograniczają miejsce, w którym na urządzeniu można nałożyć klej, za pomocą żyletki.
  7. Zaciśnij urządzenie między szablonem a maską a sztywnym podłożem, takim jak kawałek szkła płaskiego. Upewnij się, że szablon przylega płasko do urządzenia. Klej (patrz lista materiałów i sprzętu) należy nakładać sprayem w ciągu około 1,33 sekundy (cztery razy przy 180 uderzeniach na minutę) z odległości około 24 cm. Cztery przejścia w tym czasie (góra-dół-góra-dół) wystarczą, aby zapobiec powstawaniu cieni w sprayu. Usuń szablon i odwróć arkusz. Wymień szablon i maskę, a następnie spryskaj tylną stronę papieru.
  8. Natychmiast wyjmij urządzenie z szablonu i rozpocznij składanie urządzenia. Po całkowitym złożeniu urządzenia należy docisnąć część zawierającą klej, aż klej wyschnie.
    UWAGA: Czas schnięcia kleju jest bardzo wrażliwy na wilgotność otoczenia, dlatego w miejscach o niskiej wilgotności złożenie w komorze o kontrolowanej wilgotności daje więcej czasu na złożenie urządzenia.

4. Test odprowadzania wilgoci dla urządzeń 4-warstwowych

  1. Losowo wybierz 20 urządzeń, wcześniej zmontowanych zgodnie z powyższymi protokołami. Umieść urządzenia w miejscu osłoniętym od wiatru lub bryzy, aby zminimalizować parowanie. Umieść 40 μl wody na wlocie każdego urządzenia. Zapisz czas potrzebny każdemu urządzeniu na całkowite wypełnienie wszystkich wylotów barwnikiem.

5. Porównanie odprowadzania wilgoci z origami

  1. Skonstruuj dwa pawie origami - jeden zgodnie z powyższym protokołem (sekcja 3), a drugi bez użycia szablonu podczas nakładania kleju.
  2. Włóż jeden koniec małego papierowego wkładu (około 5 mm szerokości i 5 cm długości) do ciała każdego pawia.
  3. Umieść oba pawie w komorze o wysokiej wilgotności względnej (>90%), aby zminimalizować parowanie. Umieść każdą nogę i smycz każdego pawia w pojemniku wypełnionym 5 mM barwnika (czerwony: czerwień Allura, żółty: tartrazyna, niebieski: sól disodowa erioglaucyny). Nagraj proces odprowadzania wilgoci za pomocą aparatu cyfrowego.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Testy 4-warstwowych urządzeń zostały przeprowadzone w szczelnej komorze, osłaniając je przed wiatrem lub wiatrem, który mógłby spowodować nadmierne parowanie ograniczonej objętości osadzonego płynu. Większość odprowadzania wilgoci w urządzeniach 4-warstwowych znajduje się w środkowych warstwach urządzenia, więc oczekiwano, że różnice w prędkościach odprowadzania wilgoci spowodowane parowaniem będą minimalne. Ponadto boczne odprowadzanie wilgoci jest minimalne, a między wlotem a pojedynczy...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Powyższe protokoły wykorzystują perforowane blachy jako szablony do nakładania klejów aerozolowych do budowy płaskich i nieplanarnych urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D. W urządzeniach planarnych ma to tę zaletę, że umożliwia całkowite rozłożenie urządzeń po wyschnięciu kleju bez niszczenia urządzenia. W innych technikach konstrukcyjnych opartych na kleju jest to prawie niemożliwe, chociaż niektóre konstrukcje pozwalają na częściowy destrukcyjny demontaż poprzez odklejenie dwóch połówek połączonych usuwalnym klejem...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca jest wspierana przez fundusz z Bourns College of Engineering Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside. BK otrzymał stypendium od Lung-Wen Tsai Memorial Award w dziedzinie projektowania mechanicznego.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Aparatfotograficzny NikonD5100
Drukarka na stały atramentXeroxColorQube 8880
Płyta grzejnaTorrey PinesHS60
Komora wilgotnościowaElectro-Tech Systems5503-E
Klej w sprayu3M62497749309Super 77 (puszka 16,75 uncji)
Bibuła filtracyjnaWhatmanGrade 4
Blacha stalowa perforowanaMetaleDepotPS16116
TartrazineSigma-AldritchT0388
Allura RedSigma-Aldritch458848
Erioglaucine sól disodowaSigma-Aldritch 861146

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 11301-11313 (2012).
  2. Yetisen, A. K., Akram, M. S., Lowe, C. R. Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab Chip. 13, 2210-2251 (2013).
  3. Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal Chem. 87, 19-41 (2015).
  4. Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 19606-19611 (2008).
  5. Fu, E., Ramsey, S. A., Kauffman, P., Lutz, B., Yager, P. Transport in two-dimensional paper networks. Microfluid Nanofluidics. 10, 29-35 (2011).
  6. Govindarajan, A. V., Ramachandran, S., Vigil, G. D., Yager, P., Bohringer, K. F. A low cost point-of-care viscous sample preparation device for molecular diagnosis in the developing world; an example of microfluidic origami. Lab Chip. 12, 174-181 (2012).
  7. Schilling, K. M., Jauregui, D., Martinez, A. W. Paper and toner three-dimensional fluidic devices: programming fluid flow to improve point-of-care diagnostics. Lab Chip. 13, 628-631 (2013).
  8. Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J Am Chem Soc. 133, 17564-17566 (2011).
  9. Lewis, G. G., DiTucci, M. J., Baker, M. S., Phillips, S. T. High throughput method for prototyping three-dimensional, paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 12, 2630-2633 (2012).
  10. Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14, 4354-4361 (2014).
  11. Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Anal Chem. 81, 7091-7095 (2009).
  12. Lu, Y., Shi, W., Jiang, L., Qin, J., Lin, B. Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay. Electrophoresis. 30, 1497-1500 (2009).
  13. Maekawa, J. Genuine Japanese origami. , Dover Publications, Inc.. Dover edition (2012).
  14. Schonhorn, J. E., et al. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14, 4653-4658 (2014).
  15. Guan, J. J., He, H. Y., Hansford, D. J., Lee, L. J. Self-folding of three-dimensional hydrogel microstructures. J Phys Chem B. 109, 23134-23137 (2005).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Paper Microfluidic DevicesAdhesive PatterningAerosol AdhesivePlanar DevicesNonplanar DevicesWicking TimeDevice AssemblyFluid RoutingCrease PatternSemi Permanent Bonds

Related Articles