Utilisation de l'adhésif Patterning de construire papier dispositifs microfluidiques 3D
Summary
Nous démontrons l'utilisation d'adhésifs en aérosol à motifs pour construire des dispositifs microfluidiques en papier 3D. Cette méthode de formulaires de demande adhésives liaisons semi-permanentes entre les couches, ce qui permet des dispositifs à usage unique pour être non destructive démontée après utilisation et pour faciliter les structures non planes pliage complexes.
Abstract
We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol adhesive through a metal stencil, the overall amount of adhesive used in assembling paper microfluidic devices can be significantly reduced. We show on a simple 4-layer planar paper microfluidic device that the optimal adhesive application technique and device construction style depends heavily on desired performance characteristics. By moderately increasing the overall area of a device, it is possible to dramatically decrease the wicking time and increase device success rates while also reducing the amount of adhesive required to keep the device together. Such adhesive application also causes the adhesive to form semi-permanent bonds instead of permanent bonds between paper layers, enabling single-use devices to be non-destructively disassembled after use. Nonplanar 3D origami devices also benefit from the semi-permanent bonds during folding, as it reduces the likelihood that unrelated faces may accidently stick together. Like planar devices, nonplanar structures see reduced wicking times with patterned adhesive application vs uniformly applied adhesive.
Introduction
Au cours des dernières années, le papier microfluidique a valu une popularité considérable pour son potentiel à fournir des points de service à faible coût (POC) des appareils de diagnostic. 1-3 dispositifs de POC offrent des fonctionnalités similaires à celles des tests basés en laboratoire dans un format qui permet aux résultats d'être obtenu relativement rapidement. dispositifs de POC en papier sont peu coûteux, léger et alternatives faciles à utiliser à puces microfluidiques coûteuses et des laboratoires miniaturisés, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans des environnements à ressources limitées. Les dispositifs microfluidiques de papier les plus courants sont les dispositifs d'écoulement latéral à une dimension, mais plane en trois dimensions (3D) du papier dispositifs microfluidiques tenir la promesse de fournir des dispositifs de diagnostic multiplexés 4 qui prennent une empreinte beaucoup plus petite que celle qui serait requise par un dispositif 2D 5 et utiliser en conséquence un volume d'échantillon plus petit.
Dans un premier temps, les dispositifs microfluidiques de papier 3D plane sont assemblées individuellement, couche par couche wie modelée couches de papier en alternance avec du ruban adhésif double face découpé au laser. Trous alignés soigneusement découpés dans la couche de bande ont été remplis avec de la poudre de cellulose pour assurer inter-couche transport de fluide. 4 Un certain nombre d'autres méthodes ont ensuite été mis au point, 6-9 chacun améliorant différents aspects des dispositifs. En particulier, en évitant les adhésifs, les dispositifs peuvent être pliés au moyen de techniques d'origami avec des couches maintenues ensemble par une pince externe. 8 Ceci élimine toute interférence adhésive potentiel dans un test de diagnostic et permet au dispositif d'être déplié après utilisation, permettant potentiellement l' échantillon encore plus faible volumes en affichant des résultats en interne. En variante, en utilisant un adhésif d'aérosol appliquée entre chaque couche de papier, des feuilles de dispositifs peuvent être assemblés simultanément, sans temps de motif et l' alignement de la bande. 9
Cependant, en appliquant un adhésif d'aérosol à travers un pochoir, il est possible de tirer le meilleur profit deces deux techniques. Par pulvérisation de l'adhésif à travers un pochoir, seule une fraction de la colle est appliquée sur l'appareil, en minimisant les risques d'interférence avec le transfert de fluide de la couche intermédiaire. En outre, avec une sélection de pochoir prudent, un motif d'adhésif peut être appliqué que les résultats dans le collage semi-permanente, des dispositifs permettant d'être dépliées après utilisation, tout en assurant un contact intercouche suffisante pour permettre au fluide de mèche entre les couches.
Enfin, l' application des adhésifs en aérosol à travers un pochoir facilite la construction des dispositifs microfluidiques de papier 3D non planes, en réduisant au minimum la quantité de colle appliquée sur les faces adjacentes qui peuvent nécessiter le pliage fréquent et dépliage au cours de la construction. 10 En outre, l'utilisation d'adhésif à motifs dispositif permet d'être déplié après utilisation pour le stockage plus pratique. dispositifs microfluidiques papier non planaire 3D devraient être utilisés pour des tâches qui seraient autrement impossibles dans un devic plan 3De. La figure 1 illustre le déroulement du processus général utilisé pour construire à la fois plane et des dispositifs 3D non planes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les protocoles ci-dessus utilisent des feuilles métalliques perforées comme des pochoirs pour appliquer des adhésifs en aérosol pour construire plane et 3D dispositifs microfluidiques papier non planes. Dans les dispositifs planaires, ce qui a l'avantage de permettre des dispositifs d'être complètement déplié après que l'adhésif a séché sans détruire l'appareil. Dans d' autres techniques de construction d'adhésifs à base, ce qui est presque impossible, même si, certains modèles p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par un fonds de Bourns College of Engineering de l'Université de Californie, Riverside. BK a reçu une bourse de la Tsai Award Lung-Wen Memorial dans la conception mécanique.
Materials
| Camera | Nikon | D5100 | |
| Solid-ink printer | Xerox | ColorQube 8880 | |
| Hotplate | Torrey Pines | HS60 | |
| Humidity chamber | Electro-Tech Systems | 5503-E | |
| Spray adhesive | 3M | 62497749309 | Super 77 (16.75 oz can) |
| Filter paper | Whatman | Grade 4 | |
| Perforated steel sheet | MetalsDepot | PS16116 | |
| Tartrazine | Sigma-Aldritch | T0388 | |
| Allura Red | Sigma-Aldritch | 458848 | |
| Erioglaucine disodium salt | Sigma-Aldritch | 861146 |
References
- Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 11301-11313 (2012).
- Yetisen, A. K., Akram, M. S., Lowe, C. R. Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab Chip. 13, 2210-2251 (2013).
- Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal Chem. 87, 19-41 (2015).
- 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).
- Fu, E., Ramsey, S. A., Kauffman, P., Lutz, B., Yager, P. Transport in two-dimensional paper networks. Microfluid Nanofluidics. 10, 29-35 (2011).
- 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).
- 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).
- Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J Am Chem Soc. 133, 17564-17566 (2011).
- 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).
- Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14, 4354-4361 (2014).
- 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).
- 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).
- Maekawa, J. . Genuine Japanese origami. , (2012).
- Schonhorn, J. E., et al. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14, 4653-4658 (2014).
- 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).
