Method Article

С помощью клея паттернирования Построить 3D бумаги микрожидком устройств

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

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

Демонстрируется применение узорных аэрозольных клеев для создания 3D-бумажных микрожидкостных устройств. Этот метод клеевых форм применения полупостоянными связи между слоями, что позволяет одноразовые устройства, чтобы быть неразрушающим разобраны после использования и для облегчения складывания сложных непланарные структур.

Abstract

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

Мы демонстрируем использование узорчатых аэрозольных клеев для создания как плоских, так и неплоских 3D-бумажных микрофлюидных устройств. Распыляя аэрозольный клей через металлический трафарет, можно значительно уменьшить общее количество клея, используемого при сборке бумажных микрофлюидных устройств. Мы показываем на простом 4-слойном микрофлюидном устройстве для плоской бумаги, что оптимальная техника нанесения клея и стиль конструкции устройства в значительной степени зависят от желаемых эксплуатационных характеристик. Умеренно увеличивая общую площадь устройства, можно значительно сократить время отвода и повысить вероятность успеха устройства, а также уменьшить количество клея, необходимого для удержания устройства вместе. Такое нанесение клея также приводит к образованию полупостоянных связей клея вместо постоянных связей между слоями бумаги, что позволяет неразрушающе разбирать одноразовые устройства после использования. Неплоские 3D-устройства оригами также выигрывают от полупостоянных связей во время складывания, поскольку это снижает вероятность случайного склеивания несвязанных лиц. Как и в планарных устройствах, в неплоских структурах сокращается время впитывания при нанесении узорчатого клея по сравнению с равномерным нанесением клея.

Introduction

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

В последние годы бумага микрофлюидики собрала значительную популярность своего потенциала , чтобы обеспечить недорогую пункт медицинской помощи (ПСУ) диагностических устройств. 1-3 РОС устройства предлагают функциональные возможности, аналогичные лабораторных тестов на основе в формате , который позволяет результаты быть получен сравнительно быстро. РОС устройства, изготовленные из бумаги являются недорогими, легкий и простой в использовании альтернативы дорогим микрофлюидальных микросхем и миниатюрных лабораторий, что делает их идеальными для использования в условиях ограниченных ресурсов. Микрожидкостных устройства наиболее распространенной бумаги являются одномерными боковые устройства потока, но плоская трехмерная (3D) бумага микрофлюидальные устройства держать обещают обеспечить уплотненные диагностических устройств 4 , которые занимают гораздо меньше места , чем требовалось бы с помощью 2D - устройства 5 и соответственно использовать меньший объем образца.

Первоначально плоская 3D бумажные микрофлюидальные устройства были собраны индивидуально, слой за слоем Wiго узорной бумажных слоев, чередующихся с лазерной резкой двухсторонней ленты. Тщательно выровненные отверстия вырезать в слое ленты были заполнены целлюлозного порошка , чтобы обеспечить межуровневого перенос жидкости. Впоследствии были разработаны 4 ряд альтернативных методов, 6-9 каждый , улучшающие различные аспекты устройств. В частности, сторонясь клеи, устройства могут быть сложены с помощью методов оригами со слоями , скрепленных с помощью внешнего зажима. 8 Это исключает возможные помехи клейкую в качестве диагностического теста и позволяет устройству быть развернут после использования, что потенциально позволяет еще меньшую выборку объемы путем отображения результатов внутри страны. В качестве альтернативы, с помощью аэрозольного клей , нанесенный между каждым слоем бумаги, листы устройств могут быть собраны одновременно, без затрат времени кучность и выравнивание ленты. 9

Тем не менее, путем нанесения клея аэрозольную через трафарет, можно получить выгоду отоба из этих методов. Путем распыления клея через трафарет, только часть клея применяется к устройству, сводя к минимуму возможные помехи при передаче прослойка жидкости. Кроме того, при тщательном выборе трафарета, картина клей может быть нанесен, что приводит к полупостоянного склеиванием, позволяя устройствам разгибания после использования, обеспечивая при этом достаточный контакт межслойной, чтобы позволить жидкости фитиль между слоями.

И, наконец, применяя аэрозольные клеи через трафарет облегчает конструкцию неплоских 3D бумажных микрофлюидальных устройств, путем сведения к минимуму количества адгезива , нанесенного на смежных граней , которые могут потребовать частого складывания и раскладывания во время строительства. 10 Кроме того, использование узорчатого клея позволяет устройству быть разгибания после использования для более удобного хранения. Непланарной 3D устройства бумаги микрофлюидальные, как ожидается, будут использоваться для задач, которые иначе были бы невозможны в плоском 3D Девичае. На рисунке 1 изображен общий поток процесса , используемого для построения как плоские , так и непланарные 3D - устройства.

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

Protocol

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

1. Planar 4-слойный Устройство (Stacked Layers) Строительство

  1. Печать массивов каждого слоя устройства 9 на каждый кусочек фильтровальной бумаги с использованием твердого чернил принтера. 11,12 Место каждый бумажный фильтр на плитке при 170 ° С в течение 2 мин. Это будет растопить воск на основе чернил и позволяют ему полностью проникать в толщину бумаги, образуя гидрофобные барьеры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Точные конструкции, используемые доступны в качестве дополнительных файлов.
  2. Удалите фильтровальную бумагу из конфорки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
  3. Депозит 4 мкл 5 мМ красителя (красный: Allura красный, желтый: тартразин, синий: erioglaucine динатриевая соль, зеленый: 10: 1 смесь тартразин: erioglaucine динатриевой соли) в каждой отрасли (один цвет в каждой ветви) слоя 3 (третий слой из верхней части устройства завершенного) с помощью микропипетки.
  4. Начнем с самой нижней слоем. Хомут фильтровальную бумагу между трафаретом и жесткой подложкой, такой как кусок листового стекла, с использованием связующего клипs, или другой подобный временный метод. Убедитесь, что трафарет прилегать к бумаге. Это позволит свести к минимуму любые аэрозольные тени, отбрасываемые трафарет на бумагу.
  5. Нанесите клей (см перечень материалов и оборудования) с примерно 1,33 сек (четыре счета на 180 ударов в минуту) спрей от около 24 см. 9,10 В течение этого времени, переместите банку клея через трафарет в среднем темпе. Слишком медленно путешествий по трафарету заставит клей накапливаться на самом трафарете, засорение его. Слишком быстрое поездки будет не в состоянии внести достаточное количество клея на бумаге. Четыре проходит в это время (вверх-вниз-вверх-вниз) достаточны для предотвращения распыления тени.
  6. Удалите трафарет и поместить следующий слой устройства (пронумерованные слои доступны в виде дополнительных файлов) поверх свеже напыленного слоя, выравнивания краев бумаги. Плотно прижмите два слоя вместе.
  7. Заменить трафарет и повторите процесс распыления для каждого слоя устройства. Удалить ГНАск устройств и место упаковочной ленты через нижний слой. Это предотвращает утечку жидкости из устройства. Срезанные отдельные устройства от листа с помощью ножниц, следуя краю печатной области.

2. Planar 4-слойный устройства (Origami Сложенные Слои) Строительство

  1. Печать листы, содержащие все слои устройства на фильтровальную бумагу с использованием твердого чернил принтера. Поместите фильтровальную бумагу на плитке при 170 ° С в течение 2 мин. Удалите фильтровальную бумагу из конфорки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Точные конструкции, используемые доступны в качестве дополнительных файлов.
  2. Депозит 4 мкл 5 мМ красителя (красный: Allura красный, желтый: тартразин, синий: erioglaucine динатриевая соль, зеленый: 10: 1 смесь тартразин: erioglaucine динатриевой соли) в каждой отрасли (один цвет в каждой ветви) слоя 3 (третий слой из верхней части устройства завершенного) через микропипетки.
  3. Закрепить лист устройств между трафаретом и жесткой подложкой, такой как кусок листового стекла, Используя binderclips или другой подобный временный метод. Убедитесь, что трафарет прилегать к бумаге.
  4. Нанесите клей (см перечень материалов и оборудования) с примерно 1,33 сек (четыре счета на 180 ударов в минуту) спрей от около 24 см. Четыре проходит в это время (вверх-вниз-вверх-вниз) достаточны для предотвращения распыления тени.
  5. Удалите трафарет и поверните лист сверх. Заменить трафарет и распыляют обратной стороне бумаги. Извлеките лист , устройств и начать складывания в гармошку складкой, как изображено на рисунке 1. Обрежьте каждое устройство из листа с помощью ножниц, следуя краю печатной области. Поместите упаковочную ленту через нижний слой.

3. непланарной (Origami) Устройство Строительство

  1. Устройство печати (фиг.2А) на фильтровальную бумагу с использованием твердого чернил принтера и поместить фильтровальную бумагу на горячей плите при температуре 170 ° С в течение 2 мин. Удалить устройство из конфорки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
    ЗАМЕТКА:Точные конструкции, используемые доступны в качестве дополнительных файлов.
  2. Печать складка шаблон (рисунок 2С) на бумагу принтера с использованием твердого чернил принтера и сократить до размеров фильтровальной бумаги. Поместите фальцевальный рисунок на плитке при 170 ° С в течение 2 мин, чтобы расплавить воск, в результате чего образец быть виден с обеих сторон бумаги. Удалить из складок шаблон конфорки и дайте ему остыть до комнатной температуры.
  3. Совместите края рисунка складок к краям бумаги, содержащей образцы канала и прикрепить два листа бумаги, используя зажимы или другой подобный временный метод.
  4. Проследите шаблон сгиба тупым пером, применяя достаточно силы, которые появляются метки на листе устройства, но не так сильно, что складка выкройки рипы. Если это происходит, то устройство рискует быть поврежден. Precreasing заставляет бумагу сложить намного легче и позволяет добиться большей точности и точности фальцовки.
  5. Начните складывать устройство с горы и долиныскладки в соответствии с рисунком складок. После того, как клей был применен, все устройство должно быть собран очень быстро, так что складывание устройство в максимально возможной степени перед нанесением клея может быть очень полезным.
  6. После того как устройство сложено, разворачивают устройство разоблачить участков устройства, которые требуют клей. Вырежьте маски (рис 2D) , которые ограничивают где на клее устройства могут быть применены, используя лезвие бритвы.
  7. Закрепить устройство между трафаретом и маской и жесткой подложкой, такой как кусок листового стекла. Убедитесь, что трафарет плотно прилегает к устройству. Нанесите клей (список материалов и оборудования) с примерно 1,33 сек (четыре счета на 180 ударов в минуту) спрей от около 24 см. Четыре проходит в это время (вверх-вниз-вверх-вниз) достаточны для предотвращения распыления тени. Удалите трафарет и поверните лист сверх. Заменить трафарет и маску и спрей обратной стороне бумаги.
  8. Немедленно удалите устройство из трафарета и начать складыванияустройство. После того, как устройство полностью сложена, оказать давление на клей, содержащий часть, пока клей не высохнет.
    Примечание: Время высыхания клея очень чувствителен к влажности окружающей среды, так что в местах с низкой влажностью, складывающиеся в контролируемой камере влажности позволяет больше времени, чтобы сложить устройство.

4. Тест Влагоотведение для 4-слойных устройств

  1. Случайным образом выбрать 20 устройств, которые ранее были собраны в соответствии с приведенными выше протоколами. Место устройства в месте защищены от любого ветра или бриза, чтобы свести к минимуму испарение. Депозит 40 мкл воды на входе каждого устройства. Регистрируют время, необходимое для каждого устройства, чтобы иметь все его выходы полностью заполнены красителем.

5. Оригами Влагоотведение Сравнение

  1. Построить два оригами павлинов - один в соответствии с вышеуказанным протоколом (раздел 3), а другой без использования трафарета во время нанесения клея.
  2. Вставьте один конец небольшого ркабан свинца в теле каждого павлина (приблизительно 5 шириной 5 см длиной мм).
  3. Поместите оба павлинов в камере при высокой относительной влажности (> 90%), чтобы свести к минимуму испарение. Поместите каждую ногу и ведущую роль каждого павлина в емкость, заполненную 5 мМ красителя (красный: Allura красный, желтый: тартразин, синий: erioglaucine динатриевой соли). Запись процесс впитывания с помощью цифровой камеры.

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

Results

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

Испытания устройства 4-слойные были выполнены в герметичной камере, ограждая их от любого ветра или бриза, которые могут вызвать чрезмерное испарение ограниченного объема осажденного жидкости. Большинство впитывающей в устройствах 4-слоя в средних слоях устройства, так что различия в скорости впитывания из-за испарения, как ожидается, будет минимальным. Кроме того, существует минимальный боковой капиллярное, только 13 мм между входом и выходом любого отдельного, предполагая, что изменени...

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

Discussion

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

Вышеуказанные протоколы используют перфорированные металлические листы в качестве трафаретов для нанесения аэрозольные клеи для построения плоских и непланарные 3D-устройства бумаги микрожидкостных. В планарных устройств, это имеет то преимущество, что позволяет устройствам быть полностью развернут после того, как клей высохнет, не разрушив устройства. В других строительных технологий клей на основе, это практически невозможно, хотя, некоторые конструкции позволяют частичной деструктивной разборки unpeeling две половинк...

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

Disclosures

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

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgements

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

Эта работа поддерживается фондом от Bourns инженерного колледжа университета Калифорнии, Риверсайд. BK получил стипендию от премии Lung-Wen Tsai Мемориал в области машиностроительного проектирования.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ФотоаппаратNikonD5100
Принтер с твердыми черниламиXeroxColorQube 8880
Горячая плитаTorrey PinesHS60
Камера влажностиElectro-Tech Systems5503-E
Аэрозольный клей3M62497749309Super 77 (банка 16,75 унций)
Фильтровальная бумагаWhatmanGrade 4
Перфорированная сталь листовойMetalsDepotPS16116
ТартразинSigma-AldritchT0388
Allura RedSigma-Aldritch458848
Erioglaucine disodium saltSigma-Aldritch861146

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