İmmüno için üç boyutlu Paper-based mikroakışkan Cihazlar İmalat
Summary
Bu ayrıntılı bir yöntem olup bağışıklık geliştirilmesinde kullanım için üç boyutlu kağıt tabanlı mikroakışkan cihazları imal etmek. Cihaz montaj yaklaşımımız çok katmanlı bir tür katkı üretim yapmaktadır. Bu kağıt temelli sistemler bu tür Örnek sonuçları sağlamak için yapılan bir sandviç immünoeseyinde göstermektedir.
Abstract
Kağıt nedeniyle kılcal eylem özerk sıvıları fitilleri. Hidrofobik bariyerli kağıt desenlendirme olarak, akışkanların nakliyesi kontrol edilebilir ve bir kağıt tabaka içinde yönlendirilmiş. Ayrıca, desenli kağıt çoklu katmanlar istifleme analitik ve biyoanalitik testlerin geliştirilmesini desteklemek için sofistike üç boyutlu mikroakışkan ağlar oluşturur. Paper-based mikroakışkan cihazlar, kullanımı kolay, taşınabilir, ucuz ve çalıştırmak için hiçbir harici ekipman gerektirir. Sonuç olarak, onlar noktası bakım teşhis için bir platform çok ümit vericidir. düzgün bir programı ve kağıt tabanlı cihazlar analitik performansını değerlendirmek amacıyla, uygun yöntemler bunların imalatı tekrarlanabilir ve laboratuvar için uygun olan bir ölçekte sağlamak için geliştirilmelidir. Bu makalede, bir yöntem olup, kağıda dayalı bağışıklık için kullanılabilecek bir cihazın genel mimarisi tarif edilmektedir imal. Biz katkı manufacturin bir formu kullanıngr (çok katmanlı laminasyon) desenli kağıt ve desenli yapışkan çoklu katmanlar ihtiva cihazları hazırlamak. İnsan koriyonik gonadotropin (hCG), bir immunodeney ile bu üç boyutlu kağıt tabanlı mikroakışkan cihazların doğru kullanımını gösteren ek olarak, cihaz, hatalarına neden olabilir imalat işleminde hatalar tartışılmıştır. Biz sınırlı kaynak ayarları için özel olarak tasarlanmış analitik uygulamaların geliştirilmesinde geniş kullanım bulacağı kağıt bazlı cihazların imalatı bu yaklaşımı bekliyoruz.
Introduction
Kağıt formülasyonlar veya sınıflarda aralığında, ayarlamak için özelliklerini fonksiyonalize edilebilir ve kılcal etki veya emme ile otonom sıvıları taşımak için yaygın olarak kullanılabilir. Kağıt, bir hidrofobik madde ile desenli (örneğin, paslanmaz çeliğin 1 ya da mum 2), sıvı fitilleme bir kağıt tabaka içinde mekansal olarak kontrol edilebilir. Örneğin, uygulanan bir sulu örneği kağıt içinde depolanan kimyasal ve biyokimyasal reaktifler ile reaksiyona farklı bölgelere bir dizi halinde yönlendirilebilir. Bu kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlar, taşınabilir ve ucuz bir analitik deneyleri, 3, 4, 5, 6, 7 geliştirilmesi için yararlı bir platform olduğu gösterilmiştir. kağıt tabanlı mikroakışkan cihazların Uygulamaları nokta-bakım teşhis içeriref "> 8, çevresel kirleticiler 9 izlenmesi, sahte ilaç 10 tespiti ve delokalize sağlık (veya" teletıp ") sınırlı kaynak 11 ayarlayabilirsiniz.
Desenli kağıt çok katmanlı komşu tabakalar (örneğin, üstünde veya altında) hidrofilik bölgeleri olan girişleri ve çıkışları bağlanmış ya da bağımsız bırakılabilir, sürekli akışkan ağları oluşturmak için bağlanabilir, entegre cihazı içine monte edilebilir. 12 Her katman, tek bir cihazda gerçekleştirilebilir için reaktifler ve çoklu tahliller mekansal ayrılmasına olanak sağlayan benzersiz bir desen içerebilir. Ortaya çıkan üç boyutlu mikroakışkan cihaz sadece analitik deneyleri etkinleştirmek için sıvıları emme yeteneğine sahiptir (örneğin, karaciğer fonksiyon 13 ve küçük moleküllerin 14 elektrokimyasal algılama testleri), ama destek de canliman sofistike fonksiyonları bir dizi geleneksel mikroakışkan yaklaşımlara ortak (örneğin, 15 ve basit makineler 16 vanalar). Kağıt kılcal eylem tarafından sıvıları fitilleri çünkü önemlisi, bu cihazlar kullanıcı en az çaba ile çalıştırılabilir.
Reaktifler, bir kağıt tabanlı bir aygıt, üç boyutlu mimari içinde saklanabilir için, karmaşık protokolleri bir cihaz sulu numunenin tek ilavesinden azaltılabilir. Son zamanlarda, desenli katmanları oluşturmak için mum baskı tekniğiyle kağıt tabanlı bağışıklık geliştirilmesi için kullanılabilecek genel üç boyutlu cihazı mimarisi kişiye. Istiflenmiş tabakaların cihaz sayısı tasarımı ile ilgili yönleri, katmanların bir bileşim, ve üç boyutlu bir mikro-akışkan ağ kontrol altında tutulan bir per paterni kullanılan nasıl odaklanmış 17, 18 Bu çalışmalarimmüno kalm. Sonuçta, biz bir çoğullamalı immunoassay 19 hızlı gelişimi kolaylaştırmak için bu tasarım kurallarını kullanmak başardık. Bu yazıda, insan koryonik gonadotropin (hCG; gebelik hormonu) için daha önce geliştirilen immunoassay 17 üç boyutlu kağıt tabanlı bağışıklık montajı ve üretimi için geliştirdiğimiz stratejiler göstermek için bir örnek olarak kullanılmıştır. Bu duruma göre, bir cihaz yerine bir deneyin geliştirilmesi montajı ve çalıştırılması üzerine odaklanır.
hCG, hormon, bir alt-birimi, sonra bir numune ya da herhangi bir müteakip tepkime maddesi özel olmayan adsorpsiyon sınırlamak için engellenmiş olan bir katı madde üzerine kaplandığı özgü bir yakalama antikoru belirlemek için kullanılan formattır bir sandviç bağışıklık tahlili içinde. Bu alt-tabaka, en sık (bir enzim bağlı immünosorbent deneyi veya ELISA örneğin) bir polistiren mikro levha bulunmaktadır. Numune daha sonra birbir kuyu ilave edildi ve belirli bir süre boyunca inkübe olması sağlandı. katı yıkandıktan sonra hCG diğer alt birimine özgü bir antikor ilave edildi ve inkübasyona bırakılır. Bu algılama antikoru ölçülebilir bir sinyal üretmek için bir kolloidal parçacık enzim veya florofora konjüge edilebilir. De daha önce (örneğin, bir levha okuyucu kullanılarak) bir deneyin sonuçlarının yorumlanmasında için yıkanır. ticari kitler bu zaman alıcı çok basamaklı süreç güveniyor iken, bu adımların her kullanıcı için en az müdahale ile kağıt tabanlı mikroakışkan cihazlar hızla yapılabilir.
HCG bağışıklık için kullanılan cihaz örneği ilave konjügat depolama, inkübasyon, yakalama, yıkama ve blot (Şekil 1) için kullanılan, yukarıdan aşağıya doğru, altı aktif katmanları ihtiva eder. Örnek ilaveli tabakası niteliksel filtre kağıdından yapılmıştır. Bu sıvı numune giriş kolaylaştırır ve konjügat laye madde içinde korurKullanıcı tarafından çevreye veya kazara temas kirden r. Konjuge tabakası (kalitatif filtre kağıdı) immunoassay renk üreten ayıracı (örneğin, koloidal altın etiketli antikor) tutar. İnkübasyon tabakası (kalitatif filtre kağıdı) Örnek daha sonra tabaka, yakalama tabaka ulaşmadan reaktifler ile analit bağlanmasını desteklediği kağıt düzlemi içinde yanal olarak almasını sağlar. Yakalama tabakası (naylon membran) malzemesine adsorbe analiz bileşenine karşı spesifik ligandlar içerir. Deney tamamlandıktan sonra, bu tabaka tamamlanmış immunokompleksin görselleştirme sağlamak için ortaya çıkar. yıkama tabakası (kalitatif filtre kağıdı) uzakta leke tabakasının (kalın kromatografi kağıdı) içine yakalama tabakasının yüzünden serbest eşlenik reaktifler dahil olmak üzere aşırı sıvıları çizer. Kurul'da bütünlüğünü korumak kalıcı yapıştırıcı dört kat altı katmanlı cihaz desenli, çift taraflı yapışkan beş kat bir arada tutulurkan cihaz ve çıkarılabilir yapışkan bir tabaka yakalama tabakası üzerinde immunoassay sonuçlarını incelemek için cihazın soyulması kolaylaştırır.
Bu yazının amacı için, biz hCG sadece negatif ve pozitif kontrol örnekleri kullanmak (0 mIU / mL ve 81 mIU sırasıyla / ml) arasındaki ilişkinin özel bir tartışma izin veren bir kağıt tabanlı immunoassay, temsili sonuçlar sağlamak için üretim yöntemleri ve bir cihaz performansı. Başarıyla cihazların üretimi için nasıl gösteren ek olarak, biz bir cihaz ya da 'tekrarı tahlil sonuçlarının yetmezliğine yol açabilecek çeşitli üretim hataları vurgulamak. Bu yazıda ayrıntılı protokol ve tartışma kağıt tabanlı immün tasarlanmış ve imal nasıl değerli bir bakış açısı ile araştırmacılara sağlayacaktır. Biz bağışıklık bizim gösteri odaklanırken, biz burada sunulan kurallar üç DIMEN üretimi için geniş yararlı olacağını tahminsional mikroakışkan cihazlar kağıt tabanlı.
Protocol
Representative Results
Discussion
tekrarlanabilir üretim stratejisinin belirlenmesi tahlil geliştirme önemli bir bileşenidir. 22 Biz üç boyutlu kağıt tabanlı mikroakışkan cihazların üretimi için sıralı, katman-katman yaklaşımı kullanın. (I) Birden malzemeler için yöntemlere değişiklik yapılmaksızın tek bir cihaz mimarisi içine dahil edilebilir: Kağıdın 23 tek parça sacdan çok katmanlı cihazlar üretmek için katlama ya da origami teknikleri uygulamak bu yöntemlerin a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Tufts University and by a generous gift from Dr. James Kanagy. This material is based upon work supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. (DGE-1325256) that was awarded to S.C.F. D.J.W. was supported by a U.S. Department of Education GAANN fellowship. We thank Dr. Jeremy Schonhorn (JanaCare), Dr. Jason Rolland (Carbon3D), and Rachel Deraney (Brown University) for helping develop the design of the three-dimensional paper-based microfluidic device and immunoassay.
Materials
| Illustrator CC | Adobe | to design patterns for layers of paper and adhesive | |
| Xerox ColorQube 8580 printer | Amazon | B00R92C9DI | to print wax patterns onto layers of paper and Nylon |
| Isotemp General Purpose Heating and Drying Oven | Fisher Scientific | 15-103-0509 | to melt wax into paper |
| Artograph LightTracer | Amazon | B000KNHRH6 | to assist with alignment of layers |
| Apache AL13P laminator | Amazon | B00AXHSZU2 | to laminate layers together |
| Graphtec CE6000 Cutting Plotter | Graphtec America | CE6000-40 | to pattern adhesive films |
| Swingline paper cutter | Amazon | B0006VNY4C | to cut paper or devices |
| Epson Perfection V500 photo scanner | Amazon | B000VG4AY0 | to scan images of readout layer |
| economy plier-action hole punch | McMaster-Carr | 3488A9 | to remove alignment holes |
| Whatman chromatogrpahy paper, Grade 4 | Sigma Aldrich | WHA1004917 | |
| Fisherbrand chromatography paper (thick) | Fisher Scientific | 05-714-4 | to function as blot layer |
| Immunodyne ABC (0.45 µm pore size ) | Pall Corporation | NBCHI3R | to function as material for capture layer |
| removable/permanent adhesive-double faced liner | FLEXcon | DF021621 | to facilitate peeling |
| permanent adhesive-double faced liner | FLEXcon | DF051521 | |
| wax liner | FLEXcon | FLEXMARK 80 D/F PFW LINER | to assist with patterning adhesive |
| acrylic sheet | McMaster-Carr | 8560K266 | to fabricate frame |
| self-adhesive sheets | Fellowes | CRC52215 | to use as protective slip |
| absolute ethanol | VWR | 89125-172 | to sanitize work area |
| bovine serum albumin | AMRESCO | 0332 | |
| Sekisui Diagnostics OSOM hCG Urine Controls | Fisher Scientific | 22-071-066 | to use as positive and negative samples |
| anti-β-hCG monoclonal antibody colloidal gold conjugate (clone 1) | Arista Biologicals | CGBCG-0701 | to treat conjugate layer |
| goat anti-α-hCG antibody | Arista Biologicals | ABACG-0500 | to treat capture layer |
| 10X phosphate buffered saline | Fisher Scientific | BP3991 | |
| Oxoid skim milk powder | Thermo Scientific | OXLP0031B | |
| Tween 20 | AMRESCO | M147 |
References
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Wiley, B. J., Gupta, M., Whitesides, G. M. FLASH: A rapid method for prototyping paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 8 (12), 2146-2150 (2008).
- Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidic devices. Anal. Chem. 81 (16), 7091-7095 (2009).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Butte, M. J., Whitesides, G. M. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (8), 1318-1320 (2007).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Anal. Chem. 82 (1), 2-10 (2010).
- Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal. Chem. 87 (1), 19-41 (2015).
- Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 011301 (2012).
- Lisowski, P., Zarzycki, P. K. Microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) and micro total analysis systems (µTAS): Development, applications and future trends. Chromatographia. 76, 1201-1214 (2013).
- Pollock, N. R., et al. A paper-based multiplexed transaminase test for low-cost, point-of-care liver function testing. Sci. Transl. Med. 4 (152), 152ra129 (2012).
- Mentele, M. M., Cunningham, J., Koehler, K., Volckens, J., Henry, C. S. Microfluidic paper-based analytical device for particulate metals. Anal. Chem. 84 (10), 4474-4480 (2012).
- Weaver, A. A., et al. Paper analytical devices for fast field screening of beta lactam antibiotics and antituberculosis pharmaceuticals. Anal. Chem. 85 (13), 6453-6460 (2013).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Carrilho, E., Thomas, S. W., Sindi, H., Whitesides, G. M. Simple telemedicine for developing regions: camera phones and paper-based microfluidic devices for real-time, off-site diagnosis. Anal. Chem. 80 (10), 3699-3707 (2008).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (50), 19606-19611 (2008).
- Vella, S. J., et al. Measuring markers of liver function using a micro-patterned paper device designed for blood from a fingerprick. Anal Chem. 84 (6), 2883-2891 (2012).
- Nie, Z., Deiss, F., Liu, X., Akbulut, O., Whitesides, G. M. Integration of paper-based microfluidic devices with commercial electrochemical readers. Lab Chip. 10 (22), 3163-3169 (2010).
- Martinez, A. W., et al. Programmable diagnostic devices made from paper and tape. Lab Chip. 10 (19), 2499-2504 (2010).
- Connelly, J. T., Rolland, J. P., Whitesides, G. M. "Paper machine" for molecular diagnostics. Anal. Chem. 87 (15), 7595-7601 (2015).
- Schonhorn, J. E., Fernandes, S. C., Rajaratnam, A., Deraney, R. N., Rolland, J. P., Mace, C. R. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14 (24), 4653-4658 (2014).
- Fernandes, S. C., Logounov, G. S., Munro, J. B., Mace, C. R. Comparison of three indirect immunoassay formats on a common paper-based microfluidic device architecture. Anal. Methods. 8 (26), 5204-5211 (2016).
- Deraney, R. N., Mace, C. R., Rolland, J. P., Multiplexed Schonhorn, J. E. patterned-paper immunoassay for detection of malaria and dengue fever. Anal. Chem. 88 (12), 6161-6165 (2016).
- Abramoff, M., Magalhaes, P. J., Ram, S. J. Image processing with ImageJ. Biophotonics Int. 11 (7), 36-42 (2004).
- Derda, R., et al. Multizone paper platform for 3D cell cultures. PLoS ONE. 6 (5), e18940 (2011).
- Mace, C. R., Deraney, R. N. Manufacturing prototypes for paper-based diagnostic devices. Microfluid. Nanofluidics. 16 (5), 801-809 (2014).
- Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J. Am. Chem. Soc. 133 (44), 17564-17566 (2011).
- Kalish, B., Tsutsui, H. Using Adhesive patterning to construct 3D paper microfluidic devices. J. Vis. Exp. (110), e53805 (2016).
- Scida, K., Cunningham, J. C., Renault, C., Richards, I., Crooks, R. M. Simple, sensitive, and quantitative electrochemical detection method for paper analytical devices. Anal. Chem. 86 (13), 6501-6507 (2014).
- 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 (15), 2630-2633 (2012).
- Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14 (22), 4354-4361 (2014).
- Camplisson, C. K., Schilling, K. M., Pedrotti, W. L., Stone, H. A., Martinez, A. W. Two-ply channels for faster wicking in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 15 (23), 4461-4466 (2015).
