Name: using adhesive patterning to construct 3d paper microfluidic devices
Uploaded: 2016-04-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices at JoVE.com

עבודה זו נתמכת על ידי קרן ממנהל Bourns המכללה האקדמית להנדסה של אוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד. BK קבל מלגה מן פרס זיכרון ריאות-וון צא תכנון מכאני.

1. התקן 4 שכבתיים מישורים (שכבות קונצנטרי) בנייה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערכי הדפס של כל שכבה של המכשיר 9 על כל פיסת נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה. 11,12 מקום כל נייר סינון על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. זה יהיה להמס את הדיו מבוסס השעווה ולאפשר לו לחדור בעובי מלא של נייר, ויצר מחסומים הידרופובי. ההערה: העיצובים המדויקים בשימוש זמינים כקבצי משלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר מסנן נייר פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיקדון 4 μl של 5 מ&quot;מ צבע (אדום: האדום Allura; צהוב: tartrazine; כחול: erioglaucine Disodium מלח; ירוק: 10: 1 תערובת של tartrazine: erioglaucine Disodium מלח) בכל סניף (צבע אחד לסניף) של שכבה 3 (השלישי שכבה מהחלק העליון של המכשיר הושלם) באמצעות micropipette. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתחיל עם השכבה ביותר התחתונה. הצמד את נייר הסינון בין סטנסיל גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת, באמצעות קליפ קלסרים, או שיטה אחרת זמני דומה. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד העיתון. זה יהיה למזער כל צללים ספריי שמטילים סטנסיל על הנייר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל דבק (ראה רשימת חומרים וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 סנטימטר. 9,10 במהלך תקופה זו, להזיז את הפחית דבקה פני השבלונה בקצב בינוני. איטי מדי של נסיעות ברחבי סטנסיל יגרום דבק להצטבר על השבלונה עצמו, וסותם אותו. מהיר מדי של נסיעות ייכשל להפקיד דבק מספיק על הנייר. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר סטנסיל ולמקם את השכבה הבאה של המכשיר (שכבות ממוספרות זמינות כקבצי משלימה) על גבי השכבה רססה טרי, יישור קצות הנייר. בתוקף ללחוץ על שתי השכבות יחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חלף סטנסיל וחזור על תהליך הריסוס עבור כל שכבה של המכשיר. הסר את stack של מכשירים ומקום אריזת קלטת ברחבי השכבה התחתונה. זה מונע כל דליפת נוזל מהמכשיר. מכשירים בודדים חותך מהגיליון באמצעות מספריים, בעקבות קצה האזור המודפס. </li></ol> 2. התקן 4 שכבתיים מישורים (שכבות מקופלות אוריגמי) בנייה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גיליונות הדפסה המכילים את כל השכבות של המכשיר על גבי נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה. מניחים נייר הסינון על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. הסר מסנן נייר פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT. ההערה: העיצובים המדויקים בשימוש זמינים כקבצי משלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיקדון 4 μl של 5 מ&quot;מ צבע (אדום: האדום Allura; צהוב: tartrazine; כחול: erioglaucine Disodium מלח; ירוק: 10: 1 תערובת של tartrazine: erioglaucine Disodium מלח) בכל סניף (צבע אחד לסניף) של שכבה 3 (השלישי שכבה מהחלק העליון של המכשיר הושלם) באמצעות micropipette. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד את גיליון התקנים בין סטנסיל גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת, באמצעות binderclips, או שיטה אחרת זמני דומה. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד העיתון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל דבק (ראה רשימת חומרים וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 ס&quot;מ. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר סטנסיל והפוך את הגיליון. חלף סטנסיל ולרסס בצד האחורי של נייר. הסר את הגיליון של מכשירים ולהתחיל מתקפלים בתוך חריץ אקורדיון, כמתואר באיור 1. חותכים כל מכשיר מ- גיליון באמצעות מספריים, בעקבות קצה האזור המודפס. מניח אריזה קלטת ברחבי השכבה התחתונה. </li></ol> 3. Nonplanar בניית Device (אוריגמי) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקן הדפסה (איור 2 א) על נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה ולמקם את נייר הסינון על צלחת חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. הסר מההתקן פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT. הערה:העיצובים המדויקים המשמש זמינים כקבצי משלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קמט הדפסת דפוס (איור 2 ג) על גבי נייר למדפסת באמצעות מדפסת דיו מוצקה לחתוך לגודל של נייר הסינון. מניחים תבנית קמט על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות, כדי להמיס את השעווה, גרימת התבנית להיות גלוי משני צידי הנייר. הסר קו הקפל מן פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יישר את הקצוות של דפוס קמט על קצות הנייר המכיל את דפוסי ערוץ ולצרף את שתי פיסות נייר באמצעות קליפים קלסר, או שיטה אחרת זמני דומה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עקוב אחר דפוס הקמט עם עט בוטה, הפעיל כוח מספיק כי ומופיעים סימנים על הסדין המכשיר, אבל לא כל כך קשה כי נייר דפוס קמט קורע. במקרה כזה, המכשיר מסתכנת בכך נזק. Precreasing גורמת נייר לקפל בקלות רבה יותר וגם מאפשרת דיוק רב יותר ודיוק מתקפל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין מתקפל המכשיר עם הר ועמקמקפל פי דפוס הקמט. לאחר הדבק מיושם, את המכשיר כולו צריך להרכיב אותו מהר מאוד, כך לקפל את המכשיר ככל האפשר לפני היישום דבק מאוד עוזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שהמכשיר הוא מקופל, נפרשים המכשיר לחשוף חלקים של מכשיר שדורשים דבק. לגזור מסכות (2D איור) המגבילים בהם על דבק עם התקן זה עשוי להיות מיושם, באמצעות סכין גילוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד את המכשיר בין סטנסיל מסיכת גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד המכשיר. החל דבק (ראה חומרי רשימה וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 סנטימטר. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי. הסר סטנסיל והפוך את הגיליון. החלף סטנסיל להסוות ולרסס בצד האחורי של הנייר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מיד להסיר מההתקן סטנסיל ולהתחיל קיפולהֶתקֵן. ברגע שהמכשיר הוא מקופל לחלוטין, הפעל לחץ קל על הדבק המכיל חלק עד הדבק התייבש. הערה: ייבוש הזמן של הדבק רגיש מאוד לח סביבה, כך במקומות עם לחות נמוכה, מתקפלים בתא לחות מבוקר כך נשארת יותר זמן לקפל את המכשיר. </li></ol> 4. מבחן פתילה עבור התקני 4 שכבתיים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אקראי לבחור 20 מכשירים, התאספו בעבר לפי הפרוטוקולים לעיל. התקני מקום במיקום מוגנים מפני כל רוח או משבים למזער אידוי. פיקדון 40 μl מים על המפרצון של כל התקן. רשום את משך הזמן שלוקח כל התקן כדי לקבל את כל המכירה שלה מלא לחלוטין עם צבע. </li></ol> 5. אוריגמי פתילת השוואה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות שני טווסים אוריגמי - אחד על פי הפרוטוקול הנ&quot;ל (סעיף 3), והשני ללא שימוש סטנסיל במהלך יישום דבק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס קצה אחד של p קטןaper עופרת (כ 5 מ&quot;מ רוחב 5 ס&quot;מ) לתוך הגוף של כל טווס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים שני טווסים בתא שמר בלחות יחסית גבוהה (&gt; 90%) על מנת למזער התאדות. מניחים כל רגל ועופרת של כל טווס לתוך מיכל מלא עם 5 לצבוע מ&quot;מ (אדום: Allura אדום, צהוב: tartrazine, כחול: מלח disodium erioglaucine). שיא פתילת תהליך עם מצלמה דיגיטלית. </li></ol>

<ol>
	<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. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+in+paper-based+microfluidic+devices.">Recent developments in paper-based microfluidic devices.</a> Anal Chem. 87, 19-41 (2015).</li><li>Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+microfluidic+devices+fabricated+in+layered+paper+and+tape.">Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 19606-19611 (2008).</li><li>Fu, E., Ramsey, S. A., Kauffman, P., Lutz, B., Yager, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+in+two-dimensional+paper+networks.">Transport in two-dimensional paper networks.</a> Microfluid Nanofluidics. 10, 29-35 (2011).</li><li>Govindarajan, A. V., Ramachandran, S., Vigil, G. D., Yager, P., Bohringer, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+low+cost+point-of-care+viscous+sample+preparation+device+for+molecular+diagnosis+in+the+developing+world;+an+example+of+microfluidic+origami.">A low cost point-of-care viscous sample preparation device for molecular diagnosis in the developing world; an example of microfluidic origami.</a> Lab Chip. 12, 174-181 (2012).</li><li>Schilling, K. M., Jauregui, D., Martinez, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paper+and+toner+three-dimensional+fluidic+devices:+programming+fluid+flow+to+improve+point-of-care+diagnostics.">Paper and toner three-dimensional fluidic devices: programming fluid flow to improve point-of-care diagnostics.</a> Lab Chip. 13, 628-631 (2013).</li><li>Liu, H., Crooks, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+paper+microfluidic+devices+assembled+using+the+principles+of+origami.">Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami.</a> J Am Chem Soc. 133, 17564-17566 (2011).</li><li>Lewis, G. G., DiTucci, M. J., Baker, M. S., Phillips, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+throughput+method+for+prototyping+three-dimensional,+paper-based+microfluidic+devices.">High throughput method for prototyping three-dimensional, paper-based microfluidic devices.</a> Lab Chip. 12, 2630-2633 (2012).</li><li>Kalish, B., Tsutsui, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+adhesive+enables+construction+of+nonplanar+three-dimensional+paper+microfluidic+circuits.">Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits.</a> Lab Chip. 14, 4354-4361 (2014).</li><li>Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. 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>

החוקרים אין לי מה לחשוף.

הפרוטוקולים מעל להשתמש גליונות מחוררים מתכתיים כמו סטנסילים להחלת דבקים אירוסול לבנות מישוריים והתקנים microfluidic נייר 3D nonplanar. במכשירים מישוריים, זה יש את היתרון של מה שמאפשר למכשירים להיות פרשים לחלוטין לאחר הדבק התייבש מבלי להרוס את המכשיר. בשנת טכניקות בנייה אחרות ?...

בשנים האחרונות, מיקרופלואידיקה נייר צברה פופולריות רבה עבור הפוטנציאל שלה כדי לספק נקודה נמוכה עלות הטיפול (POC) מכשירים לאבחון. 1-3 מכשירי POC להציע פונקציונליות דומה לאלו של בדיקות מבוססות מעבדה במתכונת המאפשרת להציג תוצאות להיות מתקבל במהירות יחסית. התקני POC עשויים מנייר הם בעלות נמוכה, קלה משקל, וחלופות קלות לשימוש שבבי microfluidic יקר ומעבדות מיניאטורי, מה שהופך אותם אידיאליים לשימוש הגדרות משאב מוגבל. מכשירי microfluidic הנייר הנפוץ ביותר הם מכשירי זרימה לרוחב חד ממדיים, אבל מישוריים תלת ממדי (3D) נייר מכשירי microfluidic להחזיק מבטיח לספק מכשירים לאבחון מרובבים 4 שתופסים טביעת רגל קטנה בהרבה יידרש על ידי מכשיר 2D 5 ו בהתאמה להשתמש נפח דגימה קטנה. בתחילה, מכשירים microfluidic נייר 3D מישוריים רוכזו בנפרד, שכבה אחר שכבה wiה בדוגמת שכבות נייר לסירוגין עם דבק דו-צדדי בחיתוך לייזר. בזהירות חורים מיושרים לחתוך בשכבת הקלטת התמלאו אבקה תאית כדי להבטיח תחבורה נוזלת-שכבה פן. 4 מספר השיטות החלופיות פותח לאחר מכן, 6-9 בכל היבטים שונים שיפור של המכשירים. בפרט, על ידי הימנעות דבקה, הטמנת מטעני חבלה עשויות להיות מקופל באמצעות טכניקות אוריגמי עם שכבות מוחזקות ביחד על ידי מהדק חיצוני. 8 זה מבטל כל הפרעה דבקה פוטנציאלית בדיקת אבחון ומאפשר המכשיר להיות פרש לשימוש פוסט, פוטנציאל המאפשר מדגם קטן עוד יותר כרכים על ידי הצגת תוצאות פנימיות. לחלופין, באמצעות דבק אירוסול מוחל בין כל שכבת נייר, גיליונות של הטמנת מטעני חבלה עשויים להיות התאספו בו זמנית, ללא זמן רב דפוסים ויישור של סרט. 9 עם זאת, על ידי יישום דבק אירוסול דרך סטנסיל, אפשר להרוויח את היתרון שלשתי טכניקות אלו. על ידי ריסוס הדבק דרך סטנסיל, רק חלק קטן של הדבק מוחל על המכשיר, מזעור כל הפרעה אפשרית עם העברת נוזל interlayer. בנוסף, עם מבחר סטנסיל זהיר, דפוס של דבק יכול להיות מיושם כי תוצאות מליטות דבק חצי קבוע, המאפשרות התקנים להיות פרש לאחר שימוש, תוך מתן קשר interlayer מספיק כדי לאפשר נוזל פתיל בין שכבות. לבסוף, החלת דבקים אירוסול דרך סטנסיל מקלה על ידי בניית התקן microfluidic נייר 3D nonplanar, על ידי הפחתת כמות של דבק להחיל פרצופים סמוכים שיחייבו מתקפלים תכופים ופתיחה במהלך הבנייה. 10 בנוסף, השימוש של דבק בדוגמת מאפשר למכשיר להיות פרש לאחר שימוש לאחסון נוח יותר. Nonplanar 3D מכשירים microfluidic נייר צפויים לשמש למשימות זה יהיה בלתי אפשרי אחרת בתוך devic 3D מישורייםה. איור 1 מתאר את זרימת התהליך הכללית המשמשת לבניית שני מישורים והתקני 3D nonplanar.

<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.

בדיקות המכשיר 4 השכבתיות בוצעו בתא אטום, מגנה עליהם מפני כל רוח או משבים שעלולות לגרום אידוי היתר של נפח הנוזל שהופקד המוגבל. רוב הפתילה בתחום ההתקנים 4 השכבתיים הוא בשכבות ביניים של המכשיר, כך הבדלי פתילה במהירויות עקב התאדות היו צפויים להיות מינימא...

Watch this Scientific Journal Video about Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices at JoVE.com

Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

אנו מדגימים את השימוש בדבקים אירוסול בדוגמת לבנות מכשירים microfluidic נייר 3D. שיטה זו של טפסי בקשה דבקים אג&quot;ח חצי קבוע בין שכבות, מה שמאפשר מכשירים לשימוש חד-פעמיים להיות הלא הרסנית מפורק לאחר שימוש כדי להקל מבני nonplanar מורכבים מתקפל.

באמצעות דפוסים דבקים כדי לבנות התקני 3D נייר Microfluidic

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

using-adhesive-patterning-to-construct-3d-paper-microfluidic-devices

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.5K Views.  University of California, Riverside.  אנו מדגימים את השימוש בדבקים אירוסול בדוגמת לבנות מכשירים microfluidic נייר 3D. שיטה זו של טפסי בקשה דבקים אג"ח חצי קבוע בין שכבות, מה שמאפשר מכשירים לשימוש חד-פעמיים להיות הלא הרסנית מפורק לאחר שימוש כדי להקל מבני nonplanar מורכבים מתקפל. 

Video: 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.

אוריגמי השראה עצמית הרכבה של חלקיקים בדוגמת וReconfigurable

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

Chemistry

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.

יצירת Gradients הדבק והמסיס לנדידת תאי דימות באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי

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

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.

תא דפוסים על photolithographically מוגדר Parylene-C: SiO<sub&gt; 2</sub&gt; מצעים

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.

טכניקת microfluidic Genipin הפקדת לתרבות מורחבת של כלי דם micropatterned השרירים 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.

בנייה של גיליונות מודולרי Hydrogel לאדריכלות סלולרית 3D המוקטן מאקרו micropatterned

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.

Micropatterning והרכבת 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 ...

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.

דפוס של מיקרואורגניזמים ומיקרו-חלקיקים באמצעות הרכבה בסיוע נימים רציפים

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

Engineering

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.

ייצור של מכשירי microfluidic נייר מבוססים תלת ממדי עבור 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.

שיטה צדדית של חלבוני דפוסי תאים

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

ייצור מיקרו-מובלט של התקנים אנליטיים מבוססי נייר ננוצלולוז  

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.

מחבר Spotlight: מהפכה במיקרופלואידיקה באמצעות ייצור מיקרו-ערוצים על ננו-נייר 

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.

מיקרו-הבלטה: תהליך נוח לייצור מיקרו-ערוצים על מיקרופלואידיקה מבוססת נייר ננוצלולוז

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