Fabbricazione di dispositivi microfluidici basati su carta tridimensionale per gli immunodosaggi
Summary
Noi dettaglio un metodo per fabbricare dispositivi microfluidici cartacei tridimensionali per uso nello sviluppo di saggi immunologici. Il nostro approccio per il montaggio del dispositivo è di tipo multistrato, fabbricazione additiva. Dimostriamo un immunodosaggio a sandwich per fornire risultati rappresentativi per questi tipi di dispositivi basati su documenti cartacei.
Abstract
Carta stoppini fluidi autonomamente a causa di un'azione capillare. Con patterning carta con barriere idrofobiche, il trasporto di fluidi può essere controllato e diretto all'interno di uno strato di carta. Inoltre, accatastamento più strati di carta modellata crea sofisticate reti microfluidica tridimensionali in grado di supportare lo sviluppo di test analitici e bioanalitici. dispositivi microfluidici cartacei sono economici, portatile, facile da usare, e non richiedono apparecchiature esterne ad operare. Di conseguenza, sono titolari di una grande promessa come una piattaforma per la diagnostica point-of-care. Per valutare correttamente l'utilità e prestazioni analitiche dei dispositivi cartacei, devono essere sviluppati metodi idonei a garantire la loro fabbricazione è riproducibile e in una scala che è appropriato per applicazioni di laboratorio. In questo manoscritto, un metodo per fabbricare un dispositivo un'architettura generale che può essere utilizzato per gli immunodosaggi cartacei è descritto. Usiamo una forma di manufacturin additivog (multi-strato di laminazione) preparare dispositivi che comprendono più strati di carta modellata ed adesivo modellato. Oltre a dimostrare il corretto utilizzo di questi dispositivi microfluidici cartacei tridimensionali con immunoenzimatico per gonadotropina corionica umana (hCG), errori nel processo di fabbricazione che possono causare errori del dispositivo sono discussi. Ci aspettiamo che questo approccio alla produzione di dispositivi basati su carta troverà ampio programma di utilità per lo sviluppo di applicazioni analitiche progettate specificamente per le impostazioni limitato di risorse.
Introduction
La carta è ampiamente disponibile in una gamma di formulazioni o gradi, può essere funzionalizzato per sintonizzare le proprietà e può trasportare fluidi autonomamente tramite azione capillare o traspirazione. Se la carta viene modellato con una sostanza idrofoba (ad esempio, photoresist 1 o cera 2), l'assorbimento di fluidi può essere controllato spazialmente all'interno di uno strato di carta. Ad esempio, un campione acquoso applicata può essere diretto in un numero di zone diverse di reagire con reagenti chimici e biochimici memorizzati all'interno della carta. Questi dispositivi microfluidici cartacei hanno dimostrato di essere una piattaforma utile per lo sviluppo di saggi analitici portatili ed economiche 3, 4, 5, 6, 7. Applicazioni di dispositivi microfluidici basati su carta includono point-of-care diagnosticaef "> 8, il monitoraggio di contaminanti ambientali 9, l'individuazione di farmaci contraffatti 10, e l'assistenza sanitaria delocalizzato (o" telemedicina ") in alcune risorse impostazioni 11.
Strati di carta modellata possono essere assemblati in un dispositivo integrato in cui le zone idrofile da strati vicini (cioè, al di sopra o al di sotto) si collegano a formare reti fluidici continui la cui ingressi e le uscite possono essere accoppiati o sinistra indipendente. 12 Ogni strato può comprendere un modello unico, che permette la separazione spaziale dei reagenti e analisi multiple da eseguire su un singolo dispositivo. Il dispositivo di microfluidica risultante tridimensionale non è solo in grado di traspirazione fluidi per consentire saggi analitici (per esempio, la funzione epatica mette alla prova 13 e la rilevazione elettrochimica di piccole molecole 14), ma può anche supporta una serie di funzioni sofisticate (ad esempio, le valvole 15 e semplici macchine 16) comuni agli approcci tradizionali microfluidici. Importante, perché la carta stoppini fluidi per azione capillare, questi dispositivi possono essere utilizzati con il minimo sforzo da parte dell'utente.
Poiché i reagenti possono essere memorizzati all'interno dell'architettura tridimensionale di un dispositivo cartaceo, protocolli complessi possono essere ridotte ad una singola aggiunta di campione acquoso a un dispositivo. Recentemente, abbiamo introdotto un'architettura dispositivo tridimensionale generale che può essere utilizzato per lo sviluppo di immunodosaggi cartacei utilizzando la tecnica della cera-stampa per creare strati fantasia. 17, 18 Questi studi si sono concentrati su come aspetti relativi alla progettazione del dispositivo numero di strati sovrapposti utilizzati, composizione degli strati, e il modello del microfluidica rete controllata pro complessiva tridimensionaleprestazioni del immunologico. In definitiva, siamo stati in grado di utilizzare queste regole di progettazione per facilitare il rapido sviluppo di un test immunologico multiplex 19. In questo manoscritto, un immunodosaggio precedentemente sviluppato per gonadotropina corionica umana (hCG; ormone della gravidanza) 17 viene utilizzato come esempio per illustrare le strategie che abbiamo sviluppato per l'assemblaggio e la fabbricazione di immunodosaggi cartacei tridimensionali. Di conseguenza, grazie al montaggio e funzionamento di un dispositivo piuttosto che lo sviluppo di un saggio.
In un immunodosaggio a sandwich, che è il formato utilizzato per rilevare hCG, un anticorpo di cattura specifico per una subunità dell'ormone è rivestita su un substrato solido, che viene poi bloccato per limitare l'adsorbimento non specifico di un campione o di ogni reagente. Questo substrato è più spesso una micropiastra di polistirene (ad esempio, per un saggio di immunoassorbimento enzimatico o ELISA). Il campione è quindiaggiunto ad un pozzo e lasciato incubare per un periodo di tempo. Dopo rigorosa lavaggio, viene aggiunto un anticorpo specifico per l'altra subunità di hCG e lasciata incubare. Questo anticorpo di rilevazione può essere coniugato ad una colloidale di particelle, enzima, o fluoroforo per produrre un segnale misurabile. Il pozzo è ancora una volta lavato prima di interpretare i risultati di un test (ad esempio, utilizzando un lettore di piastre). Mentre kit commerciali si basano su questo processo multistep tempo, tutte queste operazioni possono essere eseguite rapidamente in dispositivi microfluidici cartacei con un intervento minimo per l'utente.
Il dispositivo usato per la immunodosaggio hCG comprende sei strati attivi, che sono, dall'alto verso il basso, utilizzate per l'aggiunta del campione, stoccaggio coniugato, incubazione, la cattura, lavaggio, e blot (Figura 1). Lo strato aggiunta del campione è costituito da carta da filtro qualitativa. Essa facilita l'introduzione di un campione liquido e protegge i reagenti nel laye coniugator dalla contaminazione dell'ambiente o contatto accidentale dall'utente. Lo strato coniugato (carta da filtro qualitativa) contiene il reagente colorato-produzione (ad esempio, anticorpi marcato con oro colloidale) per immunodosaggio. Lo strato di incubazione (carta da filtro qualitativa) consente il campione di viaggiare lateralmente nel piano della carta di promuovere legame dell'analita con reagenti prima di raggiungere lo strato successivo, lo strato di acquisizione. Lo strato di acquisizione (membrana di nylon) contiene ligandi specifici per l'analita adsorbito al materiale. Dopo il test viene completato, questo strato è rivelato per consentire la visualizzazione del immunocomplesso completata. Lo strato di lavaggio (carta da filtro qualitativa) richiama i liquidi in eccesso, tra cui reagenti coniugato libero lontano dalla faccia dello strato di cattura nello strato macchia (cromatografia su carta spessa). Il dispositivo a sei strati è tenuto insieme da cinque strati di fantasia, biadesivo: quattro strati di adesivo permanente mantenere l'integrità del assemDispositivo dissanguati e uno strato di adesivo removibile facilita sbucciatura del dispositivo per controllare i risultati del saggio immunologico sullo strato di acquisizione.
Ai fini di questo manoscritto, usiamo solo campioni di controllo positivi e negativi di hCG (0 mIU / ml e 81 mIU / ml, rispettivamente) per fornire risultati rappresentativi di un immunodosaggio cartaceo, che permette una discussione dedicato del rapporto tra metodi di fabbricazione e le prestazioni di un dispositivo. Oltre a dimostrare come fabbricare dispositivi con successo, si segnalano diversi errori di fabbricazione che potrebbero portare al fallimento di un dispositivo o di risultati del test non riproducibili. Il protocollo e la discussione dettagliato in questo manoscritto forniranno ai ricercatori informazioni preziose sul modo in cui saggi immunologici cartacei sono progettati e fabbricati. Mentre ci concentriamo la nostra manifestazione del test immunologici, ci aspettiamo che le linee guida qui presentate saranno ampiamente utile per la produzione di Tridimennale cartaceo dispositivi microfluidici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Identificazione di una strategia di produzione riproducibile è una componente essenziale dello sviluppo test. 22 Usiamo sequenziale, layer-by-layer metodo per fabbricare dispositivi microfluidici cartacei tridimensionali. In contrasto con i metodi che si applicano piegatura o origami tecniche per produrre dispositivi multistrato da un singolo foglio di carta 23, 24 di produzione di additivi offre una serie di vantaggi: (i) materiali mult…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
