Ved hjelp av lim Mønstring å konstruere 3D Paper microfluidic enheter

Summary

Vi demonstrerer bruk av mønstrede aerosol lim for å lage 3D papir microfluidic enheter. Denne metoden for selvklebende søknadsskjemaer semi-permanente bindinger mellom lagene, slik at engangsutstyr for å være ikke-destruktiv demonteres etter bruk, og for å lette folding komplekse ikke-plane konstruksjoner.

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

I de siste årene har papir MicroFluidics fått stor popularitet for dens potensial for å gi lave kostnader point of care (POC) diagnoseutstyr. ^1-3 POC enheter tilbyr funksjonalitet som ligner på de av lab-baserte tester i et format som gjør at resultatene skal være oppnås relativt raskt. POC enheter som er laget av papir er billig, lett og enkel å bruke alternativer til dyre microfluidic potetgull og miniatyriserte laboratorier, noe som gjør dem ideelle for bruk i ressursbegrensede innstillinger. De mest vanlige papir microfluidic enheter er endimensjonale laterale flyt enheter, men planar tredimensjonal (3D) papir microfluidic enheter holde lover å gi multipleksede diagnostiske enheter ⁴ som tar opp mye mindre plass enn hva som kreves av en 2D-enhet ⁵ og tilsvarende bruke et mindre prøvevolum.

I første omgang ble planar 3D papir microfluidic enheter montert individuelt, lag-på-lag with mønstret papir lagene veksler med laser-cut dobbeltsidig tape. Nøye justert hull skåret i båndlaget var fylt med cellulosepulver for å sikre inter-lags væsketransport. ⁴ En rekke alternative metoder ble senere utviklet, ^6-9 hver forbedre ulike aspekter av enhetene. Spesielt ved eschewing lim, enhetene kan foldes via origami teknikker med lag som holdes sammen av en ekstern klemme. ⁸ Dette eliminerer eventuelle lim forstyrrelser i en diagnostisk test og gjør at enheten kan være utfoldet post-bruk, noe som muliggjør enda mindre utvalg volumer ved å vise resultater internt. Alternativt kan, ved hjelp av en aerosol klebemiddel påført mellom hver papirlaget, ark av enhetene kan settes sammen samtidig, uten tidkrevende mønstring og innretting av tapen. ⁹

Imidlertid, ved å anvende en aerosol klebemiddel gjennom en sjablong, er det mulig å få nytte avbegge disse teknikker. Ved sprøyting av limet gjennom en sjablong, er bare en brøkdel av klebemiddel påført anordningen, minimere enhver potensiell interferens med væskeoverførings mellomlag. I tillegg, med forsiktig sjablong utvalg, et mønster av klebemiddel kan brukes som resulterer i semi-permanent liming, slik at enheter som skal foldes ut etter bruk, samtidig som tilstrekkelig mellomlag kontakt for å tillate væske for å transportere mellom lagene.

Til slutt, påføring aerosol lim gjennom en sjablong letter konstruksjonen av ikke-plane 3D papir microfluidic-enheter, ved å minimalisere mengden av klebemiddel påført tilstøtende flater som kan kreve hyppig folding og utfolding under byggingen. ¹⁰ I tillegg har bruken av mønstrede klebemiddel gjør det mulig for enheten å bli utfoldet seg etter bruk for mer praktisk oppbevaring. Plane 3D papir microfluidic enheter forventes å bli brukt til oppgaver som ellers ville være umulig i en plan 3D distribusjonse. Figur 1 viser den generelle prosessflyten som brukes til å konstruere både plane og ikke-plane 3D-enheter.

Protocol

1. Planar 4-lags Device (stablet lag) Bygging Trykket av matriser av hvert lag av innretningen 9 på hvert stykke filterpapir ved anvendelse av en smeltevoksskriver. 11,12 sted hver filterpapir på en varmeplate ved 170 ° C i 2 min. Dette vil smelte voksbasert blekk og tillate den å gå tvers gjennom tykkelsen av papiret, danner hydrofobe barrierer. MERK: De eksakte design brukes er tilgjengelig som tilleggsfiler. Fjern filter papir fra kokeplaten og la den avkjøles t…

Representative Results

De fire-lags enhetstester ble utført i et lukket kammer, skjerming dem fra enhver vind eller vind som kan føre til overdreven fordampning av begrenset avsatt væskevolum. Flertallet av veke i 4-lags enheter er midt lag av enheten, slik at forskjeller i fukttransporterende hastigheter på grunn av fordampning var forventet å være minimal. I tillegg er det minimalt med sideveis veke, med bare 13 mm mellom innløp og utløp ethvert individ, noe som tyder på at variasjoner i veke tidene…

Discussion

De ovennevnte protokoller bruke perforerte metallplater som sjablonger for å bruke spray lim for å lage planar og ikke-plane 3D papir microfluidic enheter. I planar enheter, har denne fordelen av å la enhetene være helt utfoldet etter at limet har tørket uten å ødelegge enheten. Med andre lim basert konstruksjon teknikker, er dette nesten umulig, selv om noen design tillater delvis destruktiv demontering av unpeeling to halvdeler som holdes sammen med et avtagbart lim. ¹⁴ Adhesiveless konstruksjon gjø…

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