تصنيع أجهزة ميكروفلويديك ثلاثي الأبعاد على الورق ليمونواسايس
Summary
نحن بالتفصيل طريقة لافتعال الأجهزة ميكروفلويديك ثلاثية الأبعاد الورقية لاستخدامها في تطوير المناعية. نهجنا في التجمع الجهاز هو نوع من متعدد الطبقات، والتصنيع مضافة. علينا أن نظهر المناعية شطيرة لتقديم نتائج تمثيلية لهذه الأنواع من الأجهزة الورقية.
Abstract
ورقة الفتائل السوائل بشكل مستقل بسبب العمل الشعري. من خلال الزخرفة ورقة مع الحواجز مسعور، نقل السوائل يمكن التحكم وتوجيه داخل طبقة من الورق. وعلاوة على ذلك، التراص طبقات متعددة من الورق منقوشة يخلق شبكات الموائع الدقيقة ثلاثية الأبعاد المتطورة التي يمكن أن تدعم تطوير المقايسات التحليلية وbioanalytical. أجهزة ميكروفلويديك الورقية وغير مكلفة، والمحمولة، وسهلة الاستخدام، ولا تحتاج إلى معدات خارجية للعمل. ونتيجة لذلك، فإنها تبشر كبيرة بوصفه منصة لتشخيص نقطة من الرعاية. من أجل تقييم فائدة والأداء التحليلي للأجهزة الورقية بشكل صحيح، يجب تطوير أساليب مناسبة لضمان صنعها هو تكرار للوعلى نطاق غير مناسبة للبيئة معملية. في هذه المخطوطة، وسيلة لافتعال يوصف بنية الجهاز العامة التي يمكن استخدامها لالمناعية الورقية. ونحن نستخدم شكل المنتجة لمواد مضافةز (متعدد الطبقات التصفيح) لإعداد الأجهزة التي تتكون طبقات متعددة من الورق المزخرفة ولاصق منقوشة. بالإضافة إلى يدل على الاستخدام السليم لهذه الأجهزة ميكروفلويديك ثلاثية الأبعاد الورقية مع المناعية لموجهة الغدد التناسلية المشيمية البشرية (HCG)، وتناقش الأخطاء في عملية التصنيع التي قد تؤدي إلى فشل الجهاز. ونحن نتوقع هذا النهج لتصنيع أجهزة الورقية سوف تجد فائدة واسعة في تطوير التطبيقات التحليلية التي صممت خصيصا لإعدادات مورد محدود.
Introduction
ورقة متاح على نطاق واسع في مجموعة من الصيغ أو الدرجات، يمكن functionalized لضبط خصائصه، ويمكن نقل السوائل بشكل مستقل عن طريق عمل شعري أو فتل. إذا كان نمط ورقة بمادة مسعور (على سبيل المثال، مقاومة للضوء 1 أو الشمع 2)، وفتل من السوائل يمكن التحكم مكانيا داخل طبقة من الورق. على سبيل المثال، يمكن أن تكون موجهة لعينة المائية التطبيقية في عدد من مناطق مختلفة لتتفاعل مع الكواشف الكيميائية والكيميائية الحيوية المخزنة داخل الصحيفة. وقد أثبتت هذه الأجهزة ميكروفلويديك الورقية لتكون منبرا مفيدا لتطوير المقايسات التحليلية المحمولة وغير مكلفة 3، 4، 5، 6، 7. وتشمل التطبيقات من أجهزة ميكروفلويديك الورقية التشخيص نقطة من الرعايةEF "> 8، رصد الملوثات البيئية 9، كشف الأدوية المزورة 10، والرعاية الصحية ضلت موضعها الصحيح (أو" الطب عن بعد ") في الموارد محدودة ضبط 11.
طبقات متعددة من الورق المزخرف يمكن تجميعها في جهاز متكامل حيث المناطق المائية من طبقات المجاورة (أي فوق أو تحت) ربط لتشكيل شبكات الموائعية المستمرة التي المداخل والمخارج قد يكون مقرونا أو اليسار مستقلة. 12 كل طبقة يمكن أن تشمل نمطا فريدا، والتي تمكن الفصل المكاني من الكواشف وفحوصات متعددة ليتم تنفيذها على جهاز واحد. الجهاز ميكروفلويديك الناتجة ثلاثي الأبعاد ليست فقط قادرة على فتل السوائل لتمكين المقايسات التحليلية (على سبيل المثال، وظيفة الكبد اختبارات 13 و كشف الكهروكيميائية من جزيئات صغيرة 14)، ولكن يمكن أيضا سوبميناء عددا من الوظائف المتطورة (على سبيل المثال، صمامات 15 وبسيطة آلات 16) مشتركة لنهج ميكروفلويديك التقليدية. الأهم من ذلك، لأن ورقة الفتائل السوائل عن طريق العمل الشعري، وهذه الأجهزة يمكن أن تعمل مع الحد الأدنى من الجهد من قبل المستخدم.
منذ يمكن تخزين الكواشف داخل بنية ثلاثية الأبعاد لجهاز الورقية والبروتوكولات المعقدة يمكن تخفيضها إلى إضافة واحدة من عينة المائية لجهاز. في الآونة الأخيرة، قدمنا بنية الجهاز ثلاثية الأبعاد العامة التي يمكن استخدامها لتطوير المناعية الورقية باستخدام تقنية الشمع الطباعة لخلق طبقات المزخرفة. 17، 18 ركز على كيفية الجوانب المتصلة تصميم الجهاز عدد من طبقات مكدسة المستخدمة، تكوين طبقات، ونمط ميكروفلويديك التي تسيطر عليها شبكة في العام ثلاثي الأبعاد هذه الدراساتاألداء من المناعية. في نهاية المطاف، كنا قادرين على استخدام هذه القواعد تصميم لتسهيل التطور السريع للالمناعه المضاعفة 19. في هذه المخطوطة، والمناعية وضعت سابقا لموجهة الغدد التناسلية المشيمية البشرية (قوات حرس السواحل الهايتية، هرمون الحمل) ويستخدم 17 كمثال لتوضيح الاستراتيجيات التي وضعت لدينا لتجميع وتصنيع المناعية الورقية ثلاثية الأبعاد. وفقا لذلك، ونحن نركز على تجميع وتشغيل جهاز بدلا من تطوير فحص.
في المناعية شطيرة، وهو التنسيق المستخدم للكشف عن قوات حرس السواحل الهايتية، الأجسام المضادة القبض محددة لالمغلفة فرعية واحدة من هرمون على ركيزة صلبة، وهو بعد ذلك منعت للحد من امتصاص غير محددة من عينة أو أي كاشف لاحق. هذه الركيزة هي في معظم الأحيان لوحة microwell البوليسترين (على سبيل المثال، لفحص انزيم مرتبط المناعي أو ELISA). العينة ثمإضافة إلى بئر وسمح لاحتضان لفترة من الزمن. بعد غسل صارم، يتم إضافة الأجسام المضادة المحددة لالوحيدات أخرى من قوات حرس السواحل الهايتية والسماح للاحتضان. قد يكون مترافق هذه الأجسام المضادة كشف لالغروية الجسيمات، انزيم، أو fluorophore من أجل إنتاج إشارة قابلة للقياس. يتم غسلها جيدا مرة أخرى قبل تفسير نتائج مقايسة (على سبيل المثال، باستخدام قارئ لوحة). بينما مجموعات تجارية تعتمد على هذه العملية متعددة الخطوات تستغرق وقتا طويلا، وجميع هذه الخطوات التي يمكن أن يؤديها بسرعة في أجهزة ميكروفلويديك الورقية مع الحد الأدنى من التدخل للمستخدم.
الجهاز المستخدم لالمناعية قوات حرس السواحل الهايتية يضم ست طبقات النشطة، والتي هي، من أعلى إلى أسفل، وتستخدم لإضافة العينة، تخزين المترافقة، الحضانة، والتقاط، وغسل، وصمة عار (الشكل 1). تتكون طبقة عينة إضافة من ورق الترشيح النوعية. فهو يسهل إدخال عينة السائل ويحمي الكواشف في أونلي المترافقةص من التلوث من البيئة أو الاتصال العرضي من قبل المستخدم. طبقة المترافقة (ورق الترشيح النوعية) يحمل كاشف إنتاج اللون (على سبيل المثال، الغروية الأجسام المضادة المسمى الذهب) لالمناعية. طبقة الحضانة (ورق الترشيح النوعية) تسمح للعينة للسفر أفقيا داخل الطائرة من الورق لتعزيز ملزم الحليلة مع الكواشف قبل الوصول إلى الطبقة التالية، وطبقة القبض عليه. طبقة القبض على (غشاء النايلون) تحتوي بروابط محددة لتحليلها كثف لهذه المادة. بعد الانتهاء من الفحص، تبين هذه الطبقة لتمكين التصور من معقد مناعي الانتهاء. طبقة غسل (ورقة مرشح النوعية) توجه السوائل الزائدة بما في ذلك الكواشف المتقارن الحر بعيدا عن الوجه طبقة القبض في طبقة وصمة عار (ورقة اللوني سميكة). يعقد الجهاز ستة الطبقات معا من خمس طبقات من منقوشة لاصقة على الوجهين: أربع طبقات من مادة لاصقة دائمة الحفاظ على سلامة عاصمجهاز نزف وطبقة واحدة من مادة لاصقة قابلة للإزالة يسهل تقشير للجهاز لفحص نتائج المناعية على طبقة القبض عليه.
لغرض هذه المخطوطة، ونحن نستخدم فقط عينات السيطرة السلبية والإيجابية للقوات حرس السواحل الهايتية (0 ميكرو وحدة / مل و 81 ميكرو وحدة / مل، على التوالي) لتقديم نتائج تمثيلية من المناعه الورقية، الذي يبيح للمناقشة مخصصة للعلاقة بين طرق تصنيع وأداء الجهاز. بالإضافة إلى إظهار كيفية تصنيع الأجهزة بنجاح، نسلط الضوء عدة أخطاء التصنيع التي يمكن أن تؤدي إلى فشل الجهاز أو نتائج الفحص irreproducible. والبروتوكول ومناقشة مفصلة في هذه المخطوطة توفر للباحثين معلومات قيمة حول كيفية تصميم المناعية الورقية وملفقة. بينما نحن نركز مظاهرة لدينا على المناعية، فإننا نتوقع أن المبادئ التوجيهية الواردة في هذه الوثيقة ستكون مفيدة على نطاق واسع لتصنيع ثلاثة dimen-ظائف الفئة الأجهزة ميكروفلويديك الورقية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تحديد استراتيجية التصنيع استنساخه عنصرا أساسيا في التنمية الفحص. 22 نستخدم متتابعة، طبقة تلو طبقة نهج لتصنيع أجهزة ميكروفلويديك ثلاثية الأبعاد الورقية. وعلى النقيض من تلك الأساليب التي تطبق للطي أو اوريغامي تقنيات لإنتاج أجهزة متعددة الطبقات من ورقة وا…
Disclosures
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).
