La fabricación de dispositivos de microfluidos basados ​​en papel tridimensional para inmunoensayos

Resumen

Nos detalle un método para fabricar dispositivos microfluídicos basados ​​en papel tridimensionales para su uso en el desarrollo de inmunoensayos. Nuestro enfoque de conjunto de dispositivo es un tipo de múltiples capas, la fabricación aditivo. Demostramos un inmunoensayo sándwich para proporcionar resultados representativos de estos tipos de dispositivos basados ​​en papel.

Resumen

Papel absorbe los líquidos de manera autónoma debido a la acción capilar. Modelando papel con barreras hidrofóbicas, el transporte de fluidos puede ser controlada y dirigida dentro de una capa de papel. Por otra parte, apilar varias capas de papel con diseño crea redes de microfluidos tridimensionales sofisticados que pueden apoyar el desarrollo de ensayos analíticos y bioanálisis. dispositivos microfluídicos basados ​​en papel son de bajo costo, portátil, fácil de usar, y no requieren ningún equipo externo para funcionar. Como resultado, ellos son una gran promesa como una plataforma para el diagnóstico de punto de atención. Con el fin de evaluar correctamente la utilidad y el rendimiento analítico de los dispositivos basados ​​en papel, métodos adecuados deben ser desarrollados para asegurar su fabricación es reproducible y a una escala que es apropiado para entornos de laboratorio. En este manuscrito, un método para fabricar una arquitectura general del dispositivo que se puede utilizar para los inmunoensayos basados ​​en papel se describe. Utilizamos una forma de fabricar em aditivog (laminado multicapa) para preparar dispositivos que comprenden varias capas de papel con diseño y el adhesivo con diseño. Además de demostrar el uso apropiado de estos dispositivos microfluídicos basados ​​en papel tridimensionales con un inmunoensayo para la gonadotropina coriónica humana (hCG), se discuten los errores en el proceso de fabricación que pueden resultar en fallos de dispositivos. Esperamos que este enfoque para la fabricación de dispositivos basados ​​en papel encontrarán una amplia utilidad en el desarrollo de aplicaciones analíticas diseñadas específicamente para entornos de recursos limitados.

Introducción

El papel es ampliamente disponibles en una variedad de formulaciones o grados, se pueden funcionalizar para sintonizar sus propiedades, y pueden transportar fluidos autónoma por acción capilar o de mecha. Si el papel se modela con una sustancia hidrófoba (por ejemplo, resina fotosensible ¹ o cera ^2), el efecto de mecha de los fluidos puede ser controlado espacialmente dentro de una capa de papel. Por ejemplo, una muestra acuosa aplicada puede ser dirigido en una serie de diferentes zonas para reaccionar con reactivos químicos y bioquímicos almacenados dentro del papel. Estos dispositivos microfluídicos basados en papel se han demostrado ser una plataforma útil para el desarrollo de ensayos de análisis portátiles y de bajo costo ^{3, 4, 5, 6, 7.} Aplicación de los dispositivos de microfluidos en papel incluyen el diagnóstico de punto de atenciónef "> 8, la vigilancia de los contaminantes ambientales ^9, la detección de productos farmacéuticos falsificados ^10, y la asistencia sanitaria deslocalizada (o" telemedicina ") en los recursos limitados ajustes ^11.

Las múltiples capas de papel estampado pueden montarse en un dispositivo integrado donde las zonas hidrófilas de las capas vecinas (es decir, por encima o por debajo) se conectan para formar redes de fluidos continuos cuyas entradas y salidas pueden estar acoplados o hacia la izquierda independiente. ¹² Cada capa puede comprender un patrón único, que permite la separación espacial de los reactivos y múltiples ensayos a realizar en un solo dispositivo. El dispositivo de microfluidos resultante tridimensional no sólo es capaz de drenar fluidos que permitan a ensayos analíticos (por ejemplo, pruebas de función hepática ¹³ y la detección electroquímica de moléculas pequeñas ^14), pero también puede suppuerto de una serie de funciones sofisticadas (por ejemplo, las válvulas ¹⁵ y simples máquinas ¹⁶⁾ comunes a los enfoques tradicionales de microfluidos. Es importante destacar que, porque el papel absorbe fluidos por acción capilar, estos dispositivos pueden ser operados con un mínimo esfuerzo por parte del usuario.

Desde reactivos se pueden almacenar dentro de la arquitectura tridimensional de un dispositivo basado en papel, protocolos complejos se pueden reducir a una sola adición de la muestra acuosa a un dispositivo. Recientemente, hemos introducido una arquitectura de dispositivo tridimensional general que puede ser utilizado para el desarrollo de inmunoensayos basados ​​en papel usando la técnica de la cera de impresión para crear capas estampadas. ^{17, 18} Estos estudios se centraron en cómo los aspectos relacionados con el diseño del dispositivo de número de capas apiladas utilizan, la composición de las capas, y el patrón de la red de microfluidos controlado por el conjunto de tres dimensionesrendimiento del inmunoensayo. En última instancia, hemos sido capaces de utilizar estas reglas de diseño para facilitar el rápido desarrollo de un inmunoensayo multiplexado ^19. En este manuscrito, un inmunoensayo desarrollado previamente para la gonadotropina coriónica humana (hCG; hormona del embarazo) ¹⁷ se utiliza como un ejemplo para ilustrar las estrategias que hemos desarrollado para el montaje y la fabricación de los inmunoensayos basados en papel tridimensionales. De acuerdo con ello, nos centramos en el montaje y funcionamiento de un dispositivo en lugar del desarrollo de un ensayo.

En un inmunoensayo de tipo sándwich, que es el formato utilizado para detectar hCG, un anticuerpo de captura específico para una subunidad de la hormona se reviste sobre un sustrato sólido, que se bloquea entonces para limitar la adsorción no específica de una muestra o cualquier reactivo posterior. Este sustrato es muy a menudo una placa de micropocillos de poliestireno (por ejemplo, para un ensayo de inmunoabsorción ligado a enzimas o ELISA). La muestra es entoncesañadido a un pozo y se deja incubar durante un período de tiempo. Después del lavado riguroso, se añade un anticuerpo específico para la otra subunidad de hCG y se dejó incubar. Este anticuerpo de detección puede ser conjugado a una partícula coloidal, enzima, fluoróforo o con el fin de producir una señal medible. El pocillo se lava de nuevo antes de la interpretación de los resultados de un ensayo (por ejemplo, usando un lector de placas). Mientras que los kits comerciales se basan en este proceso de múltiples pasos que consume tiempo, todos estos pasos se pueden realizar rápidamente en dispositivos de microfluidos en papel con una intervención mínima del usuario.

El dispositivo que se utiliza para el inmunoensayo de hCG comprende seis capas activas, que son, de arriba hacia abajo, que se utiliza para la adición de la muestra, almacenamiento conjugado, la incubación, la captura, lavado, y blot (Figura 1). La capa de adición de la muestra está hecha de papel de filtro cualitativo. Se facilita la introducción de una muestra líquida y protege los reactivos en el Laye conjugador de la contaminación del medio ambiente o el contacto accidental por parte del usuario. La capa de conjugado (papel de filtro cualitativo) mantiene el reactivo productor de color (por ejemplo, anticuerpo marcado con oro coloidal) para el inmunoensayo. La capa de incubación (papel de filtro cualitativo) permite que la muestra de viajar lateralmente dentro del plano del papel para promover la unión del analito con reactivos antes de llegar a la siguiente capa, la capa de captura. La capa de captura (membrana de nylon) contiene ligandos específicos para el analito adsorbido en el material. Después de que se completó el ensayo, esta capa se revela para permitir la visualización del inmunocomplejo completado. La capa de lavado (papel de filtro cualitativo) dibuja el exceso de líquidos que incluyen reactivos conjugados libres de distancia de la superficie de la capa de captura en la capa de transferencia (papel de cromatografía de espesor). El dispositivo de seis capas se mantiene unido por cinco capas de adhesivo modelada, de doble cara: cuatro capas de adhesivo permanente a mantener la integridad de la assemdispositivo de sangrado y una capa de adhesivo desprendible facilita el pelado del dispositivo para inspeccionar los resultados del inmunoensayo en la capa de captura.

A los efectos de este manuscrito, utilizamos solamente las muestras de control negativo y positivo de hCG (0 mUI / ml y 81 mUI / ml, respectivamente) para proporcionar resultados representativos de un inmunoensayo basado en papel, que permite una discusión dedicado de la relación entre métodos de fabricación y el funcionamiento de un dispositivo. Además de demostrar cómo fabricar dispositivos con éxito, destacamos varios errores de fabricación que podrían conducir a la falla de un dispositivo o de los resultados del ensayo irreproducibles. El protocolo y la discusión se detalla en este manuscrito se proporcionar a los investigadores información valiosa sobre cómo los inmunoensayos basados ​​en papel son diseñados y fabricados. Mientras que nos centramos nuestra demostración en inmunoensayos, anticipamos que las directrices que se presentan en este documento serán ampliamente útil para la fabricación de las tres dimensional en papel en dispositivos de microfluidos.

Protocolo

1. Preparación de Capas dispositivo de microfluidos basados ​​en papel

1. Preparar las pautas de capas de papel, nylon, y el adhesivo usando un programa de software de diseño gráfico. ⁶ Cada capa puede tener un patrón diferente.
   NOTA: El patrón puede incluir orificios de alineación que no son necesarios para un inmunoensayo basado en papel funcional, pero ayudar con la fabricación reproducible de los dispositivos tridimensionales. La colocación de estos agujeros será diferente si los dispositivos se ensamblan de forma individual, en tiras, o como hojas completas. El programa de software usado para diseñar los patrones puede variar en función de la elección de la técnica de modelado (por ejemplo, fotolitografía, impresión de la cera, o de corte). ⁶
2. Pulverizar el área de trabajo con una solución de 70% (v / v) de etanol y agua. Limpie el área de trabajo con una toalla de papel limpia.

2. Preparación de capas de papel: Muestra Además, conjugado de almacenamiento, incubación, y capas de preparación

1. Preparar capas de papel de filtro cualitativo utilizando un gran cortador de papel de sobremesa. Cortar una hoja de balance de papel en un tamaño de papel estándar para facilitar el modelado usando una impresora de tinta sólida (cera). Por ejemplo, un solo 460 x 570 mm ² hojas puede hacer 4 hojas de papel Carta EE.UU. (8,5 x 11 pulgadas ^2). La carga de papel con guantes limpios en todo momento para minimizar la contaminación.
2. Cargar una hoja de corte de papel de cromatografía en la bandeja de la impresora. Imprimir capas diseñadas previamente (ver Figura 1).
   NOTA: Un patrón puede ser impreso directamente sobre esta hoja utilizando la alimentación automática. Sólo una hoja de papel se debe imprimir a la vez para evitar los atascos de papel. Para todas las capas, utilice la configuración de impresión "mejoradas".

3. Preparación de Nylon capa de membrana: capa de captura

1. Cortar el material en rollo de membrana de nylon en forma de láminas (7,5 x 10 pulgadas ²⁾ usando un cortador de papel de sobremesa. Tenga mucho cuidado al manejar el nylonmembrana para mantener su integridad y proteger contra la rasgadura. Almacenar cualquier material no utilizado en un armario desecador, como membranas de nylon son sensibles a la humedad.
   NOTA: Cortar las hojas son más estrechas que el papel de carta de los EEUU. Debido a membranas de nylon son delgadas y frágiles, que no pueden ser procesados ​​por la impresora directamente y requieren apoyo. Los detalles se describen a continuación.
2. El uso de una impresora de cera, imprima un patrón de capa de captura sobre un pedazo de papel de copia y la cinta a una caja de luz para servir como una guía para la colocación de la membrana de nylon. La caja de luz ayuda a la alineación de múltiples capas.
3. Coloque una hoja de papel de copia en la hoja impresa de papel de copia. Cinta de la hoja de papel en blanco de la caja de luz, pero no de cinta las dos hojas juntas.
4. Coloque una hoja de corte de la membrana de nylon sobre el pedazo de papel en blanco de la copia. Asegúrese de que la membrana cubre el área impresa de la capa inferior de papel de copia. Cinta de los cuatro lados de la membrana de nailon a la hoja limpiadel papel de copia.
   NOTA: Asegúrese de que la membrana de nylon es plana y lisa para que no haya problemas con la impresión (por ejemplo, los atascos de papel o impresión desigual de cera). Cera puede ser impreso en la cinta, donde la membrana de nailon se une al papel de copia. Si esto ocurre, las zonas donde nylon se modela de forma incompleta debido a la cobertura de la cinta debe ser desechada. Para las preparaciones futuras, grandes piezas de membrana de nylon se pueden utilizar para evitar este error de impresión.
5. Cargue una hoja de membrana de nylon (apoyado por el papel de copia pegada a ella) en la bandeja de alimentación manual de la impresora. Imprimir sólo una hoja de membrana de nylon a la vez.
   NOTA: No hay pasos de preparación necesarios para la capa de transferencia, ya que no es el modelo.

4. La creación de barreras hidrofóbicas en la capa impresa

1. Cinta de las capas impresas sobre un marco de acrílico para el calentamiento uniforme por encima y debajo de la capa cuando se coloca en un horno de convección por gravedad. Mantenga la membrana de nylon pegado ala lámina de soporte de papel de copia hasta después de que la cera se funde y se forman las barreras hidrofóbicas.
   NOTA: El marco de acrílico es una pieza cortada por láser a medida de 1/2 ".. Plástico acrílico de espesor Dos tamaños de trama en función del número de dispositivos que se fabrican se utilizaron El borde exterior del marco más pequeño mide 11 5/8" x 2 3/4 ", y el agujero interior del marco mide 10 3/8" x 1 3/4 ". el borde exterior del marco más grande mide 11 5/8" x 8 7/8 ", y el interior orificio del bastidor mide 10 1/4 "x 7 7/8". el espacio abierto, interno permite la fusión uniforme de cera a través de todo el grosor del papel.
2. Colocar las capas en el horno a 150 ° C durante 30 segundos hasta que la cera se funde en el espesor del papel. Confirmar que la cera se ha impregnado el espesor del papel dándole la vuelta y la comprobación de las imperfecciones en el diseño.
   NOTA: Forced hornos de aire o placas calientes también se pueden usar para fundir la tinta cera sólida. tiempos de fusióno las temperaturas pueden variar dependiendo del método de calentamiento.
3. Retire el papel y membrana de nylon del marco de acrílico. Además, quite membrana de nylon de la hoja de apoyo de papel de copia.

5. Preparación de capas adhesivas

1. Patrón de hojas a doble cara de las láminas adhesivas utilizando un trazador cuchillo robótica, utilizando archivos de diseño preparadas previamente (paso 1.1). Proteger cualquier superficie adhesiva expuesta utilizando una lámina de revestimiento de cera.
   NOTA: El adhesivo de doble cara debería ser diseñado con agujeros que permiten que la muestra fluya a través de las capas como una vía de fluido continuo. El revestimiento de cera se retira fácilmente del adhesivo, y sirve para protegerlo de la contaminación y el desgarro durante el corte. Un cortador de láser o mueren de prensa también puede ser usado para las capas de patrón de las películas adhesivas.

6. Soporte de capas de dispositivos con Adhesivo

1. Pulverizar la caja de luz con una solución de 70% (v / v) de etanol y agua. Limpie con un papel limpio tOwel.
2. Cinta de una capa modelada de papel o membrana de nylon que necesita ser respaldada con adhesivo sobre la caja de luz con la cara impresa hacia abajo.
3. Peel un lado del revestimiento protector de la lámina de adhesivo y fijar a la capa de papel o membrana de nylon. Utilice la caja de luz para asegurar una alineación correcta de los patrones. Presione al mismo tiempo. Coloque el dispositivo parcialmente montado en un deslizamiento de protección.
   NOTA: El deslizamiento de protección es una pieza doblada de soporte de film de laminación que protege los dispositivos de contaminación o daños al asegurar que no entren en contacto los rodillos laminadores.
4. Pasar el montaje de dos capas resultante a través de un laminador automatizado para presionar completamente el adhesivo y el papel en conjunto, la eliminación de las bolsas de aire de las capas adosadas.
   NOTA: bolsas de aire entre las capas del dispositivo pueden interferir con la integridad del dispositivo y que absorbe la reproducibilidad, causando fugas.

7. Tratamiento de conjugado LAyer con reactivos para inmunoensayos antes del montaje del dispositivo

1. Tape capa conjugado a un marco acrílico tal que la zona hidrófila de ser tratado se suspende y no en contacto con el marco.
2. Añadir 2,5 l de 100 mg / ml de albúmina de suero bovino (BSA) en 1x solución salina tamponada con fosfato (PBS) a la zona hidrófila de la capa de conjugado. Deje que se seque a temperatura ambiente durante 2 minutos y después a 65 ° C durante 5 min.
   NOTA: Este volumen es suficiente para humedecer la zona del papel. La solución de BSA ayuda a evitar la agregación de las nanopartículas coloidales durante el proceso de secado, lo que facilitará la liberación de las nanopartículas cuando el papel y los reactivos se rehidratan por la muestra.
3. Añadir 5 l de 5 OD coloidal de nanopartículas de oro conjugado con anticuerpo anti-β-hCG, y repetir el proceso de secado.
   NOTA: Las unidades de concentración de nanopartículas de oro coloidal a menudo se expresan como densidad óptica (DO) medida por absorbance a λ = 540 nm. No se requiere tratamiento para la base de mecha antes del montaje del dispositivo en la Sección 10.

8. Tratamiento de canal lateral con Reactivo para inmunoensayos antes del montaje del dispositivo

1. Cinta de capa de canal lateral en un marco acrílico tal que la zona hidrófila de ser tratado se suspende y no en contacto con el marco.
2. Añadir 10 l de agente de bloqueo (5 mg leche no grasa / ml y 0,1% (v / v) de Tween 20 en 1x PBS) para tratar el canal lateral. Repetir el mismo proceso de secado (2 min a temperatura ambiente y después a 65 ° C durante 5 min) como la capa de conjugado.

9. El tratamiento de la capa de captura con reactivos para inmunoensayos antes del montaje del dispositivo

1. Tape capa de captura sobre un marco de acrílico de tal manera que la zona hidrófila de ser tratado se suspende y no en contacto con el marco.
2. El tratamiento de la capa de captura con 5 l de 1 mg / ml de anticuerpo anti-α-hCG y luego permitir que ella muestra se seque a temperatura ambiente durante 2 min seguido de 8 minutos a 65 ° C.
3. Añadir 2 l de agente de bloqueo (5 mg / ml de leche no grasa y 0,1% (v / v) de Tween 20 en 1x PBS). Repetir el proceso de secado de la capa de captura.
   NOTA: Esta cantidad es adecuado para recubrir los papeles sin ocluir los poros de la membrana de nylon, que puede ocurrir cuando se utiliza demasiado agente de mucho de bloqueo.

Dispositivos de microfluidos basados ​​en papel 10. Montaje de tres dimensiones

1. Tape la capa de lavado para la caja de luz (lado impreso hacia arriba). Si se utilizan orificios de alineación, sacarlos de las capas posteriores utilizando una herramienta de taladro de mano.
2. Retire la película protectora en la parte posterior de la capa de captura para exponer el adhesivo. Alinear la capa de captura por encima de la capa de lavado utilizando los orificios de alineación como una guía. Presione las dos capas juntas. Evitar tocar zonas hidrófilas para minimizar la contaminación o daños en el dispositivo. Pinzas se pueden usar para ayudar a assembLy.
3. Retire la película protectora en la parte posterior de la capa de incubación para exponer el adhesivo. Alinear la capa de incubación por encima de la capa de captura y presionarlos juntos. Continuar la adición de capas de esta manera hasta que todas las capas activas son ensambladas.
4. Coloque el dispositivo parcialmente montado en un deslizamiento de protección y fijar firmemente las capas entre sí usando un laminador.
5. Retire la película protectora en la parte posterior de la capa de lavado y colocar la capa de transferencia a la parte inferior del dispositivo. Repita el paso de laminación 10.4 para completar el montaje del dispositivo de microfluidos en papel tridimensional. Corte deseado número de dispositivos a partir de hojas o placas de dispositivos montados completamente con unas tijeras.
   NOTA: Hojas completas de dispositivos, tiras de dispositivos o dispositivos individuales se pueden preparar usando un enfoque similar.

11. Realización de un inmunoensayo basado en Papel

1. Añadir 20 l de una muestra a la zona hidrófila en la parte superior del dispositivo (es decir, tse muestra de capa).
2. Espere a que la muestra para absorber por completo en el dispositivo, a continuación, añadir 15 l de tampón de lavado (0,05% v / v de Tween 20 en 1x tampón fosfato salino). Después de la primera alícuota de tampón de lavado ha Wicked por completo en el dispositivo, añadir una segunda alícuota de 15 l de tampón de lavado.
   NOTA: El tampón de lavado tiene completamente malvados en el dispositivo cuando la gotita de líquido ha desaparecido, sin mostrar menisco en la superficie del papel. El ensayo se completa cuando el segundo alícuota de tampón de lavado ha entrado completamente el dispositivo.
3. Para revelar los resultados del ensayo, pelar las tres capas superiores del dispositivo con unas pinzas para exponer la capa de captura.
   1. Interpretar los resultados del ensayo cualitativamente mediante la observación de la presencia o ausencia de color. Por otra parte, la imagen de la capa de lectura utilizando un escáner de escritorio y el uso de software de procesamiento de imágenes o algoritmos para cuantificar y caracterizar los resultados de las distribuciones de intensidad dentro de unazona de detección. ²⁰

Resultados

La obtención de la funcionalidad del test reproducibles en dispositivos de microfluidos en papel tridimensionales se basa en un método de fabricación que garantiza la consistencia entre los dispositivos. Para lograr este objetivo, hemos identificado una serie de procesos de fabricación y las consideraciones materiales, y discutirlas aquí en el contexto de la demostración de un inmunoensayo basado en papel. Utilizamos un método de impresión de la cera para formar barreras hidrófo...

Discusión

La identificación de una estrategia de fabricación reproducible es un componente esencial del desarrollo del ensayo. ²² se utiliza un enfoque secuencial capa por capa para la fabricación de dispositivos microfluídicos basados en papel tridimensionales. En contraste con los métodos que se aplican técnicas de plegado o de papel a producir dispositivos de múltiples capas a partir de una sola hoja de papel ^{23, 24} de fabricación aditiv...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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