Name: using adhesive patterning to construct 3d paper microfluidic devices
Uploaded: 2016-04-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
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Diese Arbeit wird durch einen Fonds von Bourns College of Engineering der University of California, Riverside unterstützt. BK erhielt ein Stipendium der Lung-Wen Tsai Memorial Award in Mechanical Design.

1. Planar 4-Schicht-Gerät (gestapelter Schichten) Bau <ol><li> Print - Arrays von jeder Schicht der Vorrichtung 9 auf jedes Stück Filterpapier einen festen Tintendrucker. 11,12 Platzieren Sie jede Filterpapier auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min. Dadurch wird die wachsbasierte Tinte schmelzen und völliges Erstarrenlassen die Dicke des Papiers zu durchdringen und bilden hydrophobe Barrieren. Hinweis: Die genauen Designs verwendet sind als Zusatzdateien. </li><li> Entfernen Filterpapier von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen. </li><li> Kaution 4 ul 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz, grün: 10: 1-Mischung von Tartrazin: Erioglaucin Dinatriumsalz) in jedem Zweig (eine Farbe pro Zweig) der Schicht 3 (dritte Schicht von der Oberseite des fertiggestellten Vorrichtung) mit einer Mikropipette. </li><li> Beginnen Sie mit der untersten Schicht. Spannen Sie das Filterpapier zwischen der Schablone und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas, Binder-Clip mits, oder eine andere ähnliche temporäre Methode. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier ist. Dadurch werden alle Sprühschatten durch die Schablone auf das Papier geworfen zu minimieren. </li><li> Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste der Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) Spray von etwa 24 cm. 9,10 Während dieser Zeit bewegen , um die Dose Klebstoff über die Schablone auf einem mittleren Tempo. Zu langsam über die Schablone der Reise verursacht Klebstoff auf der Schablone selbst zu sammeln, sie zu verstopfen. Zu schnellen Reise fehl ausreichend Klebstoff auf das Papier aufzubringen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern. </li><li> Entfernen Sie Schablone und legen Sie die nächste Schicht der Vorrichtung (nummerierte Schichten sind als Zusatzdateien) oben auf dem frisch Schicht gesprüht, um die Kanten des Papiers ausrichten. Drücken Sie mit den beiden Schichten zusammen. </li><li> Ersetzen Schablone und wiederholen des Sprühvorgangs für jede Schicht der Vorrichtung. Entfernen Sie die stack von Geräten und Platz in der unteren Schicht Klebeband. Dies verhindert eine Fluidleckage aus dem Gerät. Geschnitten, um einzelne Geräte aus dem Blatt mit einer Schere, nach der Kante des bedruckten Bereich. </li></ol> 2. Planar 4-Schicht-Gerät (Origami gefalteten Lagen) Bau <ol><li> Druckbogen, die alle Schichten der Vorrichtung auf ein Filterpapier ein Festtintendrucker. Legen Sie Filterpapier auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min. Entfernen Filterpapier von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen. Hinweis: Die genauen Designs verwendet sind als Zusatzdateien. </li><li> Kaution 4 ul 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz, grün: 10: 1-Mischung von Tartrazin: Erioglaucin Dinatriumsalz) in jedem Zweig (eine Farbe pro Zweig) der Schicht 3 (dritte Schicht von der Oberseite des fertiggestellten Vorrichtung) über Mikropipette. </li><li> Spannen Sie den Bogen von Geräten zwischen der Schablone und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas, Mit binderclips oder eine andere ähnliche temporäre Methode. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier ist. </li><li> Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste der Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) von etwa 24 cm sprühen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern. </li><li> Entfernen Sie Schablone und drehen Sie das Blatt über. Ersetzen Sie Schablone und sprühen Seite des Papiers zurück. Entfernen Sie das Blatt von Geräten und beginnen in einem Akkordeon Falte falten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Schneiden Sie jedes Gerät aus Blech Schere nach dem Rand der gedruckten Region. Legen Sie Klebeband über der unteren Schicht zu packen. </li></ol> 3. Nichtplanare (Origami) Geräteaufbau <ol><li> Druckvorrichtung (2A) auf Filterpapier ein Festtintendrucker mit und legen Sie das Filterpapier auf einer heißen Platte bei 170 ° C für 2 min. Gerät entfernen von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen. HINWEIS:Die genauen Designs verwendet werden, sind als Zusatzdateien. </li><li> Drucken Knittermuster (2C) auf Druckerpapier ein Festtintendrucker verwenden und auf die Größe des Filterpapiers geschnitten. Platzieren Faltmuster auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min, um das Wachs zu schmelzen, wodurch das Muster von beiden Seiten des Papiers sichtbar zu sein. Entfernen Knittermuster von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen. </li><li> Richten Sie die Kanten des Knittermuster an die Ränder des Papiers mit den Kanalmuster und bringen Sie die beiden Stücke von Papier mit Binder Clips oder eine andere ähnliche temporäre Methode. </li><li> Verfolgen Sie die Knittermuster mit einem stumpfen Stift, die Anwendung genug Kraft, die Markierungen auf dem Gerät Blatt erscheinen, aber nicht so hart, dass die Falte Musterpapier Rips. Wenn das geschieht, droht das Gerät beschädigt wird. Vorbiegen bewirkt, daß das Papier viel leichter zu falten und ermöglicht eine höhere Genauigkeit und Präzision in Falten. </li><li> Beginnen Sie das Gerät mit Berg und Tal FaltenFalten nach dem Knittermuster. Sobald der Klebstoff aufgetragen worden ist, muss das gesamte Gerät sehr schnell montiert werden, so dass das Gerät so weit wie möglich Falten vor Klebstoffauftrag sehr hilfreich ist. </li><li> Sobald die Vorrichtung gefaltet wird, entfalten die Vorrichtung die Teile der Vorrichtung, die Klebstoff erfordern zu belichten. Ausgeschnittenen Masken (2D) , die in dem auf dem Gerät Klebstoff begrenzen kann angewendet werden, unter Verwendung einer Rasierklinge. </li><li> Klemmen Sie das Gerät zwischen der Schablone und Maske und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Gerät. Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) von etwa 24 cm sprühen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern. Entfernen Sie Schablone und drehen Sie das Blatt über. Ersetzen Sie Schablone und Maske und sprühen Seite des Papiers zurück. </li><li> Sofort Gerät aus Schablone entfernen und beginnen die FaltenGerät. Sobald die Vorrichtung vollständig gefaltet ist, Druck auf den Klebstoff enthaltenden Abschnitt, bis der Klebstoff getrocknet ist. HINWEIS: Die Trocknungszeit des Klebstoffes ist sehr empfindlich gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit, so in einer Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit, in einer feuchtigkeitsgesteuerten Kammer Falten erlaubt mehr Zeit, um die Vorrichtung zu falten. </li></ol> 4. Wicking-Test für 4-Schicht-Geräte <ol><li> Randomly 20 Geräte auswählen, die zuvor zu den oben genannten Protokolle zusammengesetzt nach. Platz-Geräte an einem Ort, von jedem Wind oder Brise abgeschirmt Verdunstung zu minimieren. Ablagerung 40 ul Wasser am Einlaß jedes Gerät. Notieren Sie sich die Zeit, die für jedes Gerät nimmt alle seine Filialen vollständig mit Farbstoff gefüllt zu haben. </li></ol> 5. Origami Wicking-Vergleich <ol><li> Konstrukt zwei origami peacocks - eines nach dem obigen Protokoll (Abschnitt 3) und die andere ohne die Verwendung einer Schablone während der Klebstoffauftrag. </li><li> Stecken Sie das eine Ende eines kleinen paper Blei (ca. 5 mm breit und 5 cm lang) in den Körper jedes Pfau. </li><li> Zeigen beide peacocks in eine Kammer mit hoher Luftfeuchtigkeit (&gt; 90%) gehalten, die Verdampfung zu minimieren. Legen Sie jedes Bein und führen jedes Pfau in einen Behälter gefüllt mit 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz). Nehmen Sie mit einer Digitalkamera Wicking Prozess. </li></ol>

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	<li>Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+perspective+on+paper-based+microfluidics:+Current+status+and+future+trends.">A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends.</a> Biomicrofluidics. 6, 11301-11313 (2012).</li><li>Yetisen, A. K., Akram, M. S., Lowe, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paper-based+microfluidic+point-of-care+diagnostic+devices.">Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices.</a> Lab Chip. 13, 2210-2251 (2013).</li><li>Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. 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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+wax+printing:+a+simple+micropatterning+process+for+paper-based+microfluidics.">Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics.</a> Anal Chem. 81, 7091-7095 (2009).</li><li>Lu, Y., Shi, W., Jiang, L., Qin, J., Lin, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+paper-based+microfluidics+with+wax+for+low-cost,+portable+bioassay.">Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay.</a> Electrophoresis. 30, 1497-1500 (2009).</li><li>Maekawa, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Genuine Japanese origami. , (2012).</li><li>Schonhorn, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+device+architecture+for+three-dimensional,+patterned+paper+immunoassays.">A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays.</a> Lab Chip. 14, 4653-4658 (2014).</li><li>Guan, J. J., He, H. Y., Hansford, D. J., Lee, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-folding+of+three-dimensional+hydrogel+microstructures.">Self-folding of three-dimensional hydrogel microstructures.</a> J Phys Chem B. 109, 23134-23137 (2005).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die oben genannten Protokolle verwenden, Lochbleche als Schablonen zum Aufbringen von Aerosol Klebstoffe planare und nicht planare 3D-Papier mikrofluidischen Vorrichtungen bauen. In planaren Geräte, hat dies den Vorteil, dass Geräte vollständig entfaltet werden, nachdem der Klebstoff ohne Zerstörung der Vorrichtung getrocknet ist. In anderen Klebstoffkonstruktionstechniken basieren, ist dies nahezu unmöglich, obwohl einige Entwürfe für die teilweise zerstörende Demontage ermöglichen , indem zwei Hälften unpeel...

In den letzten Jahren hat sich Papier Mikrofluidik beträchtliche Popularität für seine potenziellen sammelte Low-Cost - Point of Care (POC) Diagnosegeräte zur Verfügung zu stellen. 1-3 POC - Geräte - Funktionalität bieten , die denen von Lab-basierten Tests in einem Format , das Ergebnisse erlaubt sein relativ schnell erhalten. POC-Geräte aus Papier sind kostengünstig, leicht und einfach zu bedienende Alternative zu teuren Mikrofluidik-Chips und miniaturisierten Labore sind sie ideal für die Herstellung von in begrenzten Ressource-Einstellungen. Die am häufigsten verwendeten Papier Mikrofluidik - Vorrichtungen sind eindimensionale Lateral - Flow - Geräte, aber planare dreidimensionale (3D) Papier mikrofluidischen Geräte halten versprechen 4 Multiplex - Diagnose - Geräte zur Verfügung zu stellen , die einen deutlich geringeren Platzbedarf aufnehmen , als dies durch eine 2D - Gerät erforderlich 5 und entsprechend ein kleineres Probenvolumen. Zunächst wurden planare 3D-Papier mikrofluidischen Vorrichtungen individuell zusammengestellt, Schicht-für-Schicht with gemusterten Papierschichten mit lasergeschnittenen doppelseitigen Klebeband abwechseln. Sorgfältig ausgerichtet in der Bandschicht geschnitten wurden Löcher mit Cellulosepulver gefüllten Zwischenschichtfluidtransport zu gewährleisten. 4 eine Anzahl von alternativen Verfahren wurden anschließend entwickelt, 6-9 jeweils die Verbesserung der verschiedenen Aspekte der Geräte. Insbesondere durch Klebstoffe eschewing könnten Geräte über origami Techniken mit Schichten miteinander durch eine äußere Klammer gehalten gefaltet werden. 8. Dies beseitigt eine mögliche Klebstoff Interferenz in einem diagnostischen Test und ermöglicht es dem Gerät ungefalteten post-Anwendung sein, die möglicherweise so dass auch kleinere Proben Volumina von intern Ergebnissen. Alternativ kann durch eine Aerosol Klebstoff zwischen den einzelnen Papierschicht aufgebracht Verwendung Blätter von Vorrichtungen zusammengesetzt gleichzeitig, ohne zeitraubende Strukturierung und Ausrichtung des Bandes werden könnte. 9 Jedoch durch ein Aerosolklebstoff durch eine Schablone angewendet wird, ist es möglich, den Vorteil zu gewinnen,beide dieser Techniken. Durch Aufsprühen des Klebstoffs durch eine Schablone, nur ein Bruchteil des Klebstoffs auf das Gerät angewendet, jede mögliche Störung Zwischenfluidübertragung zu minimieren. Zusätzlich mit einer sorgfältigen Auswahl Schablone kann ein Muster von Kleber aufgebracht werden, dass die Ergebnisse in semi-permanente Klebeverbindung, so dass Geräte nach Gebrauch aufgefaltet zu werden, während noch eine ausreichende Zwischenschichtkontakt Bereitstellen Fluid zu ermöglichen, zwischen den Schichten zu Docht. Schließlich erleichtert die Anwendung Aerosol Klebstoffe durch eine Schablone , die den Aufbau nichtplanare 3D Papier mikrofluidischen Vorrichtungen, indem die Menge des Klebstoffs zu minimieren , um benachbarte Flächen aufgebracht , die häufige Faltung erfordern und Entfalten während des Baus. 10 Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von gemusterten Klebevorrichtung sein für bequemere Lagerung nach Gebrauch entfaltet. Nichtplanare 3D Papier mikrofluidischen Geräte werden voraussichtlich für Aufgaben verwendet werden, die sonst in einem planaren 3D devic unmöglich wäre,e. 1 zeigt den allgemeinen Ablauf Verfahren verwendet , um sowohl planare und nicht planare 3D - Geräte zu konstruieren.

<table><tbody><tr><td>Camera</td><td>Nikon</td><td>D5100</td><td></td></tr><tr><td>Solid-ink printer</td><td>Xerox</td><td>ColorQube 8880</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Torrey Pines</td><td>HS60</td><td></td></tr><tr><td>Humidity chamber</td><td>Electro-Tech Systems</td><td>5503-E</td><td></td></tr><tr><td>Spray adhesive</td><td>3M</td><td>62497749309</td><td>Super 77 (16.75 oz can)</td></tr><tr><td>Filter paper</td><td>Whatman</td><td>Grade 4</td><td></td></tr><tr><td>Perforated steel sheet</td><td>MetalsDepot</td><td>PS16116</td><td></td></tr><tr><td>Tartrazine</td><td>Sigma-Aldritch</td><td>T0388</td><td></td></tr><tr><td>Allura Red</td><td>Sigma-Aldritch</td><td>458848</td><td></td></tr><tr><td>Erioglaucine disodium salt</td><td>Sigma-Aldritch</td><td>861146</td><td></td></tr></tbody></table>

using adhesive patterning to construct 3d paper microfluidic devices

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.

Die 4-Schicht-Gerätetests wurden in einer abgedichteten Kammer durchgeführt, so dass sie von jedem Wind oder Brise Abschirmung, die eine übermäßige Verdunstung des begrenzten abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen verursachen könnten. Die Mehrheit der wicking in der 4-Schicht-Geräte ist in den mittleren Schichten der Vorrichtung, damit Unterschiede in der Geschwindigkeit aufgrund der Verdampfung wicking wurden minimal erwartet. Zusätzlich gibt es eine minimale seitliche wicking mit ...

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Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

Wir demonstrieren die Verwendung von gemusterten Aerosol Klebstoffe 3D Papier mikrofluidischen Vorrichtungen bauen. Diese Methode der Klebstoffapplikationsformen semipermanenten Verbindungen zwischen Schichten, Einwegvorrichtungen ermöglicht nach dem Gebrauch zerstörungsfrei demontiert und Faltung komplexer nichtplanare Strukturen zu erleichtern.

Mit Adhesive Patterning 3D Paper Mikrofluidik-Vorrichtungen bauen

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.5K Aufrufe.  University of California, Riverside.  Wir demonstrieren die Verwendung von gemusterten Aerosol Klebstoffe 3D Papier mikrofluidischen Vorrichtungen bauen. Diese Methode der Klebstoffapplikationsformen semipermanenten Verbindungen zwischen Schichten, Einwegvorrichtungen ermöglicht nach dem Gebrauch zerstörungsfrei demontiert und Faltung komplexer nichtplanare Strukturen zu erleichtern. 

Serie: Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles

There are numerous techniques such as photolithography, electron-beam lithography and soft-lithography that can be used to precisely pattern two dimensional (2D) structures. These technologies are mature, offer high precision and many of them can be implemented in a high-throughput manner. We leverage the advantages of planar lithography and combine them with self-folding methods1-20 wherein physical forces derived from surface tension or residual stress, are used to curve or fold planar structures into three dimensional (3D) structures. In doing so, we make it possible to mass produce precisely patterned static and reconfigurable particles that are challenging to synthesize.
In this paper, we detail visualized experimental protocols to create patterned particles, notably, (a) permanently bonded, hollow, polyhedra that self-assemble and self-seal due to the minimization of surface energy of liquefied hinges21-23 and (b) grippers that self-fold due to residual stress powered hinges24,25. The specific protocol described can be used to create particles with overall sizes ranging from the micrometer to the centimeter length scales. Further, arbitrary patterns can be defined on the surfaces of the particles of importance in colloidal science, electronics, optics and medicine. More generally, the concept of self-assembling mechanically rigid particles with self-sealing hinges is applicable, with some process modifications, to the creation of particles at even smaller, 100 nm length scales22, 26 and with a range of materials including metals21, semiconductors9 and polymers27. With respect to residual stress powered actuation of reconfigurable grasping devices, our specific protocol utilizes chromium hinges of relevance to devices with sizes ranging from 100 &mu;m to 2.5 mm. However, more generally, the concept of such tether-free residual stress powered actuation can be used with alternate high-stress materials such as heteroepitaxially deposited semiconductor films5,7 to possibly create even smaller nanoscale grasping devices.

We describe experimental details of the synthesis of patterned and reconfigurable particles from two dimensional (2D) precursors. This methodology can be used to create particles in a variety of shapes including polyhedra and grasping devices at length scales ranging from the micro to centimeter scale.

Origami Inspired Selbstorganisation von Patterned und Reconfigurable Particles

There are numerous techniques such as photolithography, electron-beam lithography and soft-lithography that can be used to precisely pattern two ...

Forschung

Chemie

Creating Adhesive and Soluble Gradients for Imaging Cell Migration with Fluorescence Microscopy

Cells can sense and migrate towards higher concentrations of adhesive cues such as the glycoproteins of the extracellular matrix and soluble cues such as growth factors. Here, we outline a method to create opposing gradients of adhesive and soluble cues in a microfluidic chamber, which is compatible with live cell imaging. A copolymer of poly-L-lysine and polyethylene glycol (PLL-PEG) is employed to passivate glass coverslips and prevent non-specific adsorption of biomolecules and cells. Next, microcontact printing or dip pen lithography are used to create tracks of streptavidin on the passivated surfaces to serve as anchoring points for the biotinylated peptide arginine-glycine-aspartic acid (RGD) as the adhesive cue. A microfluidic device is placed onto the modified surface and used to create the gradient of adhesive cues (100% RGD to 0% RGD) on the streptavidin tracks. Finally, the same microfluidic device is used to create a gradient of a chemoattractant such as fetal bovine serum (FBS), as the soluble cue in the opposite direction of the gradient of adhesive cues.

A method for the assembly of adhesive and soluble gradients in a microscopy chamber for live cell migration studies is described. The engineered environment combines antifouling surfaces and adhesive tracks with solution gradients and therefore allows one to determine the relative importance of guidance cues.

Erstellen Adhesive und löslichen Farbverläufe for Imaging Cell Migration mit Fluoreszenz-Mikroskopie

Cells can sense and migrate towards higher concentrations of adhesive cues such as the glycoproteins of the extracellular matrix and soluble cues such as ...

Biotechnik

Cell Patterning on Photolithographically Defined 
Parylene-C: SiO2 Substrates

Cell patterning platforms support broad research goals, such as construction of predefined in vitro neuronal networks and the exploration of certain central aspects of cellular physiology. To easily combine cell patterning with Multi-Electrode Arrays (MEAs) and silicon-based &#8216;lab on a chip&#8217; technologies, a microfabrication-compatible protocol is required. We describe a method that utilizes deposition of the polymer parylene-C on SiO2&#160;wafers. Photolithography enables accurate and reliable patterning of parylene-C at micron-level resolution. Subsequent activation by immersion in fetal bovine serum (or another specific activation solution) results in a substrate in which cultured cells adhere to, or are repulsed by, parylene or SiO2 regions respectively. This technique has allowed patterning of a broad range of cell types (including primary murine hippocampal cells, HEK 293 cell line, human neuron-like teratocarcinoma cell line, primary murine cerebellar granule cells, and primary human glioma-derived stem-like cells). Interestingly, however, the platform is not universal; reflecting the importance of cell-specific adhesion molecules. This cell patterning process is cost effective, reliable, and importantly can be incorporated into standard microfabrication (chip manufacturing) protocols, paving the way for integration of microelectronic technology.

Cell Patterning on Photolithographically Defined 
Parylene-C: SiO2 Substrates

This protocol describes a microfabrication-compatible method for cell patterning on SiO2. A predefined parylene-C design is photolithographically printed on SiO2 wafers. Following incubation with serum (or other activation solution) cells adhere specifically to (and grow according to the conformity of) underlying parylene-C, whilst being repulsed by SiO2 regions.

Musterbildung auf Photolithographische Definierte Parylene-C: SiO<sub&gt; 2</sub&gt; Substrate

Cell patterning platforms support broad research goals, such as construction of predefined in vitro neuronal networks and the exploration of certain ...

Microfluidic Genipin Deposition Technique for Extended Culture of Micropatterned Vascular Muscular Thin Films

The chronic nature of vascular disease progression requires the development of experimental techniques that simulate physiologic and pathologic vascular behaviors on disease-relevant time scales. Previously, microcontact printing has been used to fabricate two-dimensional functional arterial mimics through patterning of extracellular matrix protein as guidance cues for tissue organization. Vascular muscular thin films utilized these mimics to assess functional contractility. However, the microcontact printing fabrication technique used typically incorporates hydrophobic PDMS substrates. As the tissue turns over the underlying extracellular matrix, new proteins must undergo a conformational change or denaturing in order to expose hydrophobic amino acid residues to the hydrophobic PDMS surfaces for attachment, resulting in altered matrix protein bioactivity, delamination, and death of the tissues.
Here, we present a microfluidic deposition technique for patterning of the crosslinker compound genipin. Genipin serves as an intermediary between patterned tissues and PDMS substrates, allowing cells to deposit newly-synthesized extracellular matrix protein onto a more hydrophilic surface and remain attached to the PDMS substrates. We also show that extracellular matrix proteins can be patterned directly onto deposited genipin, allowing dictation of engineered tissue structure. Tissues fabricated with this technique show high fidelity in both structural alignment and contractile function of vascular smooth muscle tissue in a vascular muscular thin film model. This technique can be extended using other cell types and provides the framework for future study of chronic tissue- and organ-level functionality.

We present a method for microfluidic deposition of patterned genipin and fibronectin on PDMS substrates, allowing extended viability of vascular smooth muscle cell-dense tissues. This tissue fabrication method is combined with previous vascular muscular thin film technology to measure vascular contractility over disease-relevant time courses.

Mikrofluidischen Genipin Abscheidetechnik für Extended Kultur von mikrostrukturierten Vascular Muscular Thin Films

The chronic nature of vascular disease progression requires the development of experimental techniques that simulate physiologic and pathologic vascular ...

Construction of Modular Hydrogel Sheets for Micropatterned Macro-scaled 3D Cellular Architecture

Hydrogels can be patterned at the micro-scale using microfluidic or micropatterning technologies to provide an in vivo-like three-dimensional (3D) tissue geometry. The resulting 3D hydrogel-based cellular constructs have been introduced as an alternative to animal experiments for advanced biological studies, pharmacological assays and organ transplant applications. Although hydrogel-based particles and fibers can be easily fabricated, it is difficult to manipulate them for tissue reconstruction. In this video, we describe a fabrication method for micropatterned alginate hydrogel sheets, together with their assembly to form a macro-scale 3D cell culture system with a controlled cellular microenvironment. Using a mist form of the calcium gelling agent, thin hydrogel sheets are easily generated with a thickness in the range of 100 - 200 &#181;m, and with precise micropatterns. Cells can then be cultured with the geometric guidance of the hydrogel sheets in freestanding conditions. Furthermore, the hydrogel sheets can be readily manipulated using a micropipette with an end-cut tip, and can be assembled into multi-layered structures by stacking them using a patterned polydimethylsiloxane (PDMS) frame. These modular hydrogel sheets, which can be fabricated using a facile process, have potential applications of in vitro drug assays and biological studies, including functional studies of micro- and macrostructure and tissue reconstruction.

We describe the fabrication of micropatterned hydrogel sheets using a simple process, which can be assembled and manipulated in a freestanding form. Using these modular hydrogel sheets, a simple macro-scaled 3D cell culture system can be generated with a controlled cellular microenvironment.

Bau von Modular Hydrogel Blätter für mikrostrukturierten Makro skaliert 3D Cellular Architektur

Hydrogels can be patterned at the micro-scale using microfluidic or micropatterning technologies to provide an in vivo-like three-dimensional (3D) tissue ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Mikrostrukturierung und Montage von 3D-Micro-Ader

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Patterning of Microorganisms and Microparticles through Sequential Capillarity-assisted Assembly

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, including studies of microbial physiology and interactions. At the simplest level, accurate spatial patterning of microorganisms would enable reliable, long-term imaging of large numbers of individual cells and transform the ability to quantitatively study distance-dependent microbe-microbe interactions. More uniquely, coupling accurate spatial patterning and full control over environmental conditions, as offered by microfluidic technology, would provide a powerful and versatile platform for single-cell studies in microbial ecology. 
This paper presents a microfluidic platform to produce versatile and user-defined patterns of microorganisms within a microfluidic channel, allowing complete optical access for long-term, high-throughput monitoring. This new microfluidic technology is based on capillarity-assisted particle assembly and exploits the capillary forces arising from the controlled motion of an evaporating suspension inside a microfluidic channel to deposit individual microsized objects in an array of traps microfabricated onto a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. Sequential depositions generate the desired spatial layout of single or multiple types of micro-sized objects, dictated solely by the geometry of the traps and the filling sequence. 
The platform has been calibrated using colloidal particles of different dimensions and materials: it has proven to be a powerful tool to generate diverse colloidal patterns and perform surface functionalization of trapped particles. Furthermore, the platform was tested on microbial cells, using Escherichia coli cells as a model bacterium. Thousands of individual cells were patterned on the surface, and their growth was monitored over time. In this platform, the coupling of single-cell deposition and microfluidic technology allows both geometric patterning of microorganisms and precise control of environmental conditions. It thus opens a window into the physiology of single microbes and the ecology of microbe-microbe interactions, as shown by preliminary experiments.

We present a technology that uses capillarity-assisted assembly in a microfluidic platform to pattern micro-sized objects suspended in a liquid, such as bacteria and colloids, into prescribed arrays on a polydimethylsiloxane substrate.

Strukturierung von Mikroorganismen und Mikropartikeln durch sequentielle kapillaritätsunterstützte Montage

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, ...

Ingenieurwesen

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

Herstellung von dreidimensionalen Papierbasis Microfluidic Devices für Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

A Versatile Method of Patterning Proteins and Cells

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning techniques work well only with simple shapes, small areas and selected bio-materials. This article describes a method to distribute cell suspensions as well as substrate solutions into complex, long, closed (dead-end) polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels using negative pressure. This method enables researchers to pattern multiple substrates including fibronectin, collagen, antibodies (Sal-1), poly-D-lysine (PDL), and laminin. Patterning of substrates allows one to indirectly pattern a variety of cells. We have tested C2C12 myoblasts, the PC12 neuronal cell line, embryonic rat cortical neurons, and amphibian retinal neurons. In addition, we demonstrate that this technique can directly pattern fibroblasts in microfluidic channels via brief application of a low vacuum on cell suspensions. The low vacuum does not significantly decrease cell viability as shown by cell viability assays. Modifications are discussed for application of the method to different cell and substrate types. This technique allows researchers to pattern cells and proteins in specific patterns without the need for exotic materials or equipment and can be done in any laboratory with a vacuum.

This report describes a simple, easy to perform technique, using low pressure vacuum, to fill microfluidic channels with cells and substrates for biological research.

Eine vielseitige Methode von Patterning Proteinen und Zellen

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning ...

Mikrogeprägte Herstellung von Nanocellulose-papierbasierten Analysegeräten  

Microembossing: A Convenient Process for Fabricating Microchannels on Nanocellulose Paper-Based Microfluidics

Nanopaper, derived from nanofibrillated cellulose, has generated considerable interest as a promising material for microfluidic applications. Its appeal lies in a range of excellent&#160;qualities, including an exceptionally smooth surface, outstanding optical transparency, a uniform nanofiber matrix with nanoscale porosity, and customizable chemical properties. Despite the rapid growth of nanopaper-based microfluidics, the current techniques used to create microchannels on nanopaper, such as 3D printing, spray coating, or manual cutting and assembly, which are crucial for practical applications, still possess certain limitations, notably susceptibility to contamination. Furthermore, these methods are restricted to the production of millimeter-sized channels. This study introduces a straightforward process that utilizes convenient plastic micro-molds for simple microembossing operations to fabricate microchannels on nanopaper, achieving a minimum width of 200 &#181;m. The developed microchannel outperforms existing approaches, achieving a fourfold improvement, and can be fabricated within 45 min. Furthermore, fabrication parameters have been optimized, and a convenient quick-reference table is provided for application developers. The proof-of-concept for a laminar mixer, droplet generator, and functional nanopaper-based analytical devices (NanoPADs) designed for Rhodamine B sensing using surface-enhanced Raman spectroscopy was demonstrated. Notably, the NanoPADs exhibited exceptional performance with improved limits of detection. These outstanding results can be attributed to the superior optical properties of nanopaper and the recently developed accurate microembossing method, enabling the integration and fine-tuning of the NanoPADs.

Autor im Rampenlicht: Revolutionierung der Mikrofluidik durch Mikrokanal-Fertigung auf Nanopapier 

This protocol describes a straightforward process that utilizes convenient plastic micro-molds for simple microembossing operations to fabricate microchannels on nanofibrillated cellulose paper, achieving a minimum width of 200 &#181;m.

Mikroprägung: Ein praktisches Verfahren zur Herstellung von Mikrokanälen auf Mikrofluidik auf Nanozellulosepapier

Nanopaper, derived from nanofibrillated cellulose, has generated considerable interest as a promising material for microfluidic applications. Its appeal ...