С помощью клея паттернирования Построить 3D бумаги микрожидком устройств

Общая цель данного метода заключается в создании плоских и непланарных трехмерных бумажных микрофлюидных устройств, которые могут быть развернуты в процессе изготовления и после использования путем нанесения паттернов аэрозольного адгезива. Этот метод открывает совершенно новое пространство проектирования для бумажной микрофлюидики, устраняя ограничения, которые ранее препятствовали созданию сложных сетей каналов. Основными преимуществами данной методики являются значительное снижение количества адгезива, используемого при изготовлении бумажных микрофлюидных устройств, а также возможность построения непланарных трехмерных бумажных микрофлюидных схем.

Сначала распечатайте массив для каждого слоя устройства на фильтровальной бумаге с помощью принтера с твердыми чернилами. Поместите каждый лист фильтровальной бумаги на нагревательную плитку при 170 °C на две минуты, чтобы расплавить чернила на основе воска и дать им полностью проникнуть в бумагу, создав гидрофобные барьеры. После охлаждения бумаги с помощью микропипетки внесите краситель другого цвета в каждую из ветвей третьего слоя.

Будет достаточно аликвот красителей с концентрацией 5 mM объемом 4 µL. Теперь приступим к сборке. Сначала закрепите самый нижний слой между трафаретом и жесткой подложкой, например, куском листового стекла.

Убедитесь, что трафарет плотно прилегает к бумаге, чтобы минимизировать появление теней от распыления. Затем установите метроном на 180 ударов в минуту и распыляйте адгезив с расстояния примерно 24 сантиметров в течение четырех ударов. Перемещайте баллон по трафарету четырьмя равномерными движениями.

Если перемещать баллон слишком медленно, адгезив будет скапливаться на самом трафарете, забивая его. Если перемещать баллон слишком быстро, будет нанесено недостаточное количество адгезива. Затем снимите трафарет и поместите следующий слой устройства поверх свеженанесенного слоя, аккуратно выравнивая их по краям.

Плотно прижмите слои друг к другу. Затем снова распылите адгезив. Повторяйте эту процедуру до тех пор, пока все слои не будут плотно приклеены.

На четырехслойный стек наклейте полоску упаковочной ленты по нижнему слою, чтобы предотвратить вытекание жидкости. Затем из стека можно вырезать отдельные устройства по напечатанному шаблону. Как и в предыдущей процедуре, нанесите изображение устройства на фильтровальную бумагу с помощью принтера с твердочернильной печатью и расплавьте чернила на нагревательной плите при 170 °C в течение двух минут.

Для выполнения этой процедуры также распечатайте схему сгибов таким же образом, но на обычной бумаге для принтера. После того как отпечатки остынут, совместите линии схемы сгибов с краями шаблонов каналов. Затем закрепите их с помощью клейкой ленты.

Затем обведите линию сгиба тупым стилусом. Приложите достаточное усилие, чтобы оставить след на листе устройства, но не порвите бумагу. Если бумага порвется, начните процесс заново.

Эта техника предварительного создания сгибов повышает точность и прецизионность складывания. Теперь начните складывать устройство, используя «горные» и «долинные» сгибы в соответствии со схемой сгибания. Складывание перед нанесением адгезива ускоряет сборку устройства.

После складывания разверните его, чтобы открыть участки, требующие нанесения адгезива. Затем с помощью лезвия вырежьте маски, чтобы ограничить области нанесения адгезива. Теперь плотно зажмите устройство между трафаретом с маской и жесткой подложкой.

Используйте метроном, чтобы отсчитать 1,3 секунды, и нанесите адгезив, как и прежде. Если влажность окружающей среды низкая, наносите адгезив в зоне с контролируемой влажностью, чтобы он не высыхал слишком быстро. Затем снимите трафарет и маску и переверните лист.

Затем таким же образом распылите раствор на обратную сторону бумаги. Сразу же снимите устройство с трафарета и приступите к его складыванию. После того как устройство будет полностью сложено, оказывайте постоянное давление на часть, содержащую адгезив, до полного высыхания.

Для проведения теста на капиллярный перенос (wicking test) четырехслойных устройств случайным образом выберите 20 устройств. Поместите устройства в место, защищенное от потоков воздуха, чтобы минимизировать испарение. Затем внесите 40 µL воды в приемное отверстие каждого устройства.

Зафиксируйте время, за которое все выходные отверстия каждого устройства будут полностью заполнены красителем. Для оригами-устройств сравните два «павлина» из оригами: один, изготовленный по ранее описанному методу, и другой, изготовленный без использования трафарета при нанесении адгезива. Затем вставьте один конец небольшого бумажного стержня в корпус «павлина».

При контролируемой относительной влажности выше 90% поместите каждую ножку и бумажный фитиль каждого «павлина» в контейнер, заполненный 5 мМ раствором красителя. Были compared среднее время капиллярного подъема и показатели успешности для четырехслойных устройств, изготовленных с разным количеством нанесенного адгезива. Равномерное покрытие адгезивом привело к относительно высоким показателям успешности, которые снижались по мере увеличения количества адгезива.

Показатели успеха были значительно выше при более коротком времени пропитывания в тех случаях, когда структурированный адгезив наносился на обе стороны, а не только на одну. Сбои случались чаще, когда адгезив наносился только на одну сторону. Типичный отказ многослойного устройства характеризовался тем, что выходные отверстия не заполнялись красителем полностью или заполнялись более пяти минут.

В устройствах, сложенных по принципу оригами, отказ устройства характеризовался наличием выходов, в которые не поступал краситель в любом количестве. Эти выходы располагались исключительно вдоль двух краев устройства, содержавших сгибы. Увеличение вдвое размера рамки вокруг каналов привело к повышению показателей успешности как при одностороннем, так и при двухстороннем нанесении адгезива.

Оба метода нанесения адгезива позволили создать устройства, в которых жидкость успешно перемещалась по всей длине каналов без перемешивания. Однако устройство с равномерно нанесенным адгезивом работало заметно медленнее. При выполнении данной процедуры важно обеспечить равномерное и последовательное нанесение адгезива.

Обратите внимание, что аэрозольный адгезив следует наносить только в хорошо проветриваемых помещениях. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как наносить и использовать структурированные адгезивы для создания плоских и неплоских трехмерных бумажных микрофлюидных устройств. Данный метод позволит исследователям изучить применение неплоских структур для достижения функциональных возможностей, ранее не встречавшихся в плоских устройствах, таких как интегрированные системы приводов и сенсоров.