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

이 작품은 캘리포니아 리버 사이드 대학의 공학 번스 대학에서 기금에 의해 지원됩니다. BK는 기계 설계의 폐 - 원자바오 영 수상 기념에서 장학금을 받았다.

1. 평면 4 층 장치 (적층) 건설 <ol><li> 고체 잉크를 사용하는 프린터 여과지의 각 부분 상으로 장치 (9)의 각 층의 전단 어레이. 11,12 찾는 2 분 동안 170 ℃에서 핫 플레이트상에서 각 여과지. 이는 왁스 계 잉크를 녹여 완전히 소수성 장벽을 형성하고, 용지의 두께를 관통하는 것을 허용 할 것이다. 주 : 사용 된 정확한 디자인을 추가 파일로 사용할 수 있습니다. </li><li> 핫 플레이트에서 필터 종이를 제거하고 실온까지 냉각 할 수 있습니다. </li><li> 보증금 4 μl의 5 mM의 염료 (적색 : Allura 레드, 옐로우 : 타트 라진, 파란색 : erioglaucine 나트륨 염, 녹색 : 10 : 타트 라진의 1 믹스 : erioglaucine 나트륨 염) 층 (3)의 각 지점에서 (지점 당 하나의 색) (제 완성 된 장치의 위에서 층) 마이크로 피펫. </li><li> 가장 아​​래 층으로 시작합니다. 바인더 클립을 이용하여 스텐실 및 플레이트 유리 조각 등의 딱딱한 배면 사이 여과지 클램프의, 또는 다른 유사한 임시 방법. 스텐실 용지에 대한 평평한 지 확인합니다. 이 용지에 스텐실로 캐스팅하는 스프레이 그림자를 최소화 할 수 있습니다. </li><li> 이 시간 동안. 약 1.33 초 (180 BPM에서 네 카운트) 약 24cm에서 스프레이와 9,10 접착제 (재료 및 장비의 목록 참조) 적용을 중간 속도로 스텐실에서 접착제의 깡통을 이동합니다. 스텐실에서 여행의 너무 느린 그것을 막힘 스텐실 자체에 축적 접착제의 원인이됩니다. 여행의 너무 빠른 종이에 충분한 접착제를 입금 할 수 없게됩니다. 이 기간 동안 네 개의 패스 (업 - 다운 - 업 - 다운) 스프레이 그림자 방지에 충분하다. </li><li> 스텐실을 제거하고 장치의 다음 층을 배치 용지의 가장자리를 정렬, 갓 용사 층 꼭대기 (번호 층은 보조 파일로 사용할 수 있습니다). 단단히 함께 두 개의 층을 누릅니다. </li><li> 스텐실을 교체하고 장치의 각 층의 분사 과정을 반복합니다. 상기 이동 단말기를 제거하부층에 걸쳐 테이프 포장 장치 및 장소 CK. 이 장치에서 유체 누설을 방지 할 수 있습니다. 시트로부터 절단 개별 장치는 인쇄 영역의 가장자리에 따라 사용 가위. </li></ol> 2. 평면 4 층 장치 (종이 접기 접이식 레이어) 건설 <ol><li> 고체 잉크를 사용하는 프린터 여과지 상에 상기 장치의 모든 층을 포함하는 인쇄 시트. 2 분 동안 170 ° C에서 열판에 종이 필터를 놓습니다. 핫 플레이트에서 필터 종이를 제거하고 실온까지 냉각 할 수 있습니다. 주 : 사용 된 정확한 디자인을 추가 파일로 사용할 수 있습니다. </li><li> 보증금 4 μl의 5 mM의 염료 (적색 : Allura 레드, 옐로우 : 타트 라진, 파란색 : erioglaucine 나트륨 염, 녹색 : 10 : 타트 라진의 1 믹스 : erioglaucine 나트륨 염) 층 (3)의 각 지점에서 (지점 당 하나의 색) (제 마이크로 피펫을 통해 완성 된 장치의 상단)에서 층. </li><li> 이러한 판 유리의 조각으로 스텐실과 뻣뻣한 백업 사이 장치의 시트 클램프, binderclips, 또는 다른 유사한 일시적인 방법을 사용하여. 스텐실 용지에 대한 평평한 지 확인합니다. </li><li> 약 1.33 초 (180 BPM에서 네 카운트) 약 24cm에서 스프레이 접착제 (재료 및 장비의 목록 참조) 적용합니다. 이 기간 동안 네 개의 패스 (업 - 다운 - 업 - 다운) 스프레이 그림자 방지에 충분하다. </li><li> 스텐실을 제거하고 시트를 뒤집습니다. 스텐실를 교체하고 용지의 측면을 다시 스프레이. 인쇄 된 영역의 가장자리를 따라 장치의 시트를 제거하고도 1에 도시 된 바와 같이, 아코디언 주름 폴딩 시작한다. 가위를 이용하여 시트에서의 각 장치를 잘라. 아래 층에서 테이프를 포장 놓습니다. </li></ol> 3. 비평 (종이 접기) 장치 건설 <ol><li> 고체 잉크 프린터 2 분 동안 170 ℃에서 핫 플레이트 상에 여과지를 배치하여 필터를 용지에 인쇄 장치 (도 2A). 열판으로부터 장치를 제거하고 실온으로 냉각 할 수있다. 노트:사용되는 정확한 디자인은 추가 파일로 사용할 수 있습니다. </li><li> 인쇄 주름 고체 잉크 프린터를 사용하여 인쇄 용지 상에 패턴 (도 2C) 및 필터 종이의 크기로 잘랐다. 패턴이 용지의 양면에서 볼 수 원인, 왁스를 녹여, 2 분 동안 170 ° C에서 열판에 주름 패턴을 놓습니다. 핫 플레이트에서 주름 패턴을 제거하고 실온까지 냉각 할 수 있습니다. </li><li> 상기 채널 패턴을 포함하는 용지의 가장자리에 주름 패턴의 가장자리를 정렬 바인더 클립 또는 다른 유사한 방법을 이용하여 임시 용지의 두 부분을 첨부. </li><li> 표시 장치 시트에 표시 충분한 힘을 적용, 무딘 펜으로 주름 패턴을 추적,하지만 열심히 주름 패턴 용지가 입술있다. 즉이 발생하면, 장치가 손상 될 위험. Precreasing 용지 훨씬 더 쉽게 접어 원인과 접이식 더 큰 정확도와 정밀도 수 있습니다. </li><li> 산과 계곡으로 장치를 접기 시작주름 패턴에 따라 주름. 접착제가 도포 된 후, 전체 장치는 접착제 도포 매우 유용하므로 전에 최대한 장치 접는 매우 빠르게 조립해야한다. </li><li> 장치가 절첩되면 접착제가 필요한 장치의 부분을 노출시키는 장치를 전개. 여기서 디바이스 접착제 한도 잘라 마스크 (도 2d)은 면도날을 사용하여 적용될 수있다. </li><li> 이러한 판 유리의 조각으로 스텐실 및 마스크와 뻣뻣한 백업 사이의 장치를 클램프. 스텐실 장치에 대한 평평한 지 확인합니다. 약 1.33 초 (180 BPM에서 네 카운트) 약 24cm에서 스프레이 접착제 (목록 용 재료 및 장비를 참조) 적용합니다. 이 기간 동안 네 개의 패스 (업 - 다운 - 업 - 다운) 스프레이 그림자 방지에 충분하다. 스텐실을 제거하고 시트를 뒤집습니다. 스텐실을 교체하고 마스크와 용지의 측면을 다시 스프레이. </li><li> 즉시 스텐실에서 장치를 제거하고 접이식 시작장치. 장치가 완전히 접혀되면 접착제가 건조 될 때까지 부분을 포함하는 접착제에 압력을 적용한다. 참고 : 접착제의 건조 시간은 주변 습도에 매우 민감하기 때문에 습도 조절 실에 접이식 습기가 적은 장소에 장치를 배에 더 많은 시간을 할 수 있습니다. </li></ol> 4. 위킹 (심지 용) 테스트 4 층 장치에 대한 <ol><li> 무작위로 이전에 위의 프로토콜에 따라 조립 (20) 장치를 선택합니다. 위치에있는 장소 장치는 증발을 최소화하기 위해 어떤 바람이나 바람으로부터 보호. 각 장치의 입구에서 물 40 μL 금고. 그것의 출구 모두 완전히 염료 충전을 위해 각 장치에 걸리는 시간을 기록한다. </li></ol> 5. 종이 접기 위킹 (심지 용) 비교 <ol><li> 두 접기 공작 구축 - 하나 이상의 프로토콜 (제 3), 및 접착제의인가에 스텐실을 사용하지 않고 다른 방법. </li><li> 작은 쪽의 한쪽 끝을 삽입각 공작의 몸에 조리개 리드 (5cm 길이로 폭 약 5 mm)이다. </li><li> 증발을 최소화하기 위해 높은 상대 습도 (&gt; 90 %)로 유지 챔버 모두 공작을 놓습니다. 5 mM의 염료 (: Allura 빨강, 노랑 : 타트 라진, 파란색 : erioglaucine 나트륨 염 빨간색)으로 채워진 용기에 각 공작의 각 다리 리드를 놓습니다. 디지털 카메라와 함께 프로세스 위킹 레코드. </li></ol>

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저자는 공개 아무것도 없어.

상기 프로토콜은 평면이고 비평 3D 종이 마이크로 유체 소자를 구성하는 에어로졸 접착제를인가하기위한 스텐실 같은 다공 금속 시트를 사용한다. 평면 디바이스에서, 이것은 접착제가 장치를 파괴하지 않고, 건조 후에 디바이스가 완전히 펼쳐질 수 있도록하는 장점을 갖는다. 일부 설계 이동식 접착제로 함께 유지 개의 반쪽 unpeeling 의해 부분 파괴 분해를 허용하지만 다른 접착제 기반 구조 기법이 거의 불가능하다. 14 Adhesiveless 구조는 장치 사용 후에 전개 될 수 있지만, 사용자 클램프 또는 하우징을 필요 않는다 각 장치에 대한. (8) 주로 측면 심지와 장치에서, 접착제는 상당히 느린 위킹을 할 수 있습니다. 접착제를 패터닝함으로써, 심지 영역에 적용된 접착제의 양이 현저하게 위킹 잠재적 간섭 제한을 감소시킬 수있다. 주로 수직 심지가있는 장치또한 비록 훨씬 적은 정도로 접착제에 의한 유사 느린 위킹을 나타낸다. 완전히 차단 밖으로 모두 오직 잠재적 심지 간섭을 제거 할 수있다 소수성 영역에 접착제 적용을 제한 영역 위킹, 또한 제작 과정에 상당한 시간 정렬을 추가 할 수있는 스텐실 디자인. 비평면 디바이스에서 패터닝 된 접착제가 극적으로 균일하게 도포 접착제 층보다 훨씬 용이하게 접는 감소 된 종이에 적용되는 접착제의 양으로서, 접는 용이. 완전히 접착 덮여 용지가 용지의 서로 다른 영역 사이의 우발적 접촉을 계속하기 전에 취소해야 접착이 발생하는 경우 접어 훨씬 더 어렵다. 소수성 영역에 큰 위킹 영역 상대가 평면 3D 다층 장치의 경우, 종이 접기는 에어로졸 접착제와 짝을 접는하는 것은 최적 건설 기술 가능성때문에 전개 할 수있는 주름의 경향을 극복하면서 함께 젖은 종이 층을 보유하는 접착제의 무능력에 nique. 충분한 소수성 경계를 포함 디자인 장치 접기 접힘 장치의 성공률을 증가시킬 것이다. 강한 결합 강도 접착제를 사용하면이 문제를 해결 용지 접착제 결합을 약화에서 물을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그들은 장치를 전개하는 경향이 주름 결여로 쌓여 층 디바이스는 전체적으로 더 수행 하였다. 또한, 접착제 도포시 스텐실의 사용은 극적 층 사이 심지 유체에 필요한 시간을 줄이고, 접착제 도포의 총량을 감소시킨다. 비평 3D 종이 마이크로 유체 소자를 설계에서 고려해야 할 많은 문제들이있다. 물 imbibi시 오픈 주름을 강제로 주름을 따라 채널 배치로, 채널의 레이아웃에 접어 장치의 주름 패턴을 비교하는 것이 중요하다셀룰로오스 섬유를 팽윤에 의한 기. 특정 장치, 비록 이것이 또는 소망되지 않을 수있다 거동의 설계에 따라. 주위 조건에서 디바이스 스토리지에서 약화 층 사이의 접착 결합을 방지하기 위해 권장 따라서 장치 생존율 10 건조 공기 하에서 장기 저장에 바람직하지 않다. 이전 루이스 바와 같이 외., 에어로졸 접착제 (9)를 사용하는 급속 3D 종이 마이크로 유체 소자의 대량 생산하기위한 효율적인 수단을 제공한다. 이러한 접착제를 패터닝함으로써, 새로운 장치는 사용 후에 전개 될 수 있다는 이점을 가지고이 개발 더 빠르게 할 수있다. 또한, 패터닝은 비평 3D 종이 마이크로 유체 장치의 구성 및 개발을 가능하게한다. 이러한 장치는 이전 집적 활성화 및 센싱 평면 종이 마이크로 유체에없는 기능을 제공 할 수있을 것으로 예상된다. 예를 들어, 액츄 에이션 일 수있다물 반응성 중합체 필름 (15) 및 패터닝 된 종이 기판으로부터 이중층을 생성하여 달성했다. 그러한 이중층으로 구성하는 장치에있어서, 구동 장치의 채널을 따라 때 물 심지 생성 될 필름과 상호 작용한다. 필름이 건조되면, 상기 장치는 다시 사용될 준비가 남겨 초기 구성으로 복귀한다.

최근, 종이 마이크로 유체에는 (POC) 진단 장치 관리의 저렴한 점을 제공하는 가능성에 대한 상당한 인기를 얻고있다. 1-3 POC 장치를 결과 할 수있는 형식으로 랩 기반 검사와 유사한 기능을 제공하는 상대적으로 빠르게 얻을. 종이로 만든 POC 장치는 자원 제한 설정에서 사용하기에 이상적, 저렴한 비용, 경량, 고가의 마이크로 유체 칩과 소형 실험실로 사용하기 쉬운 대안이다. 가장 일반적인 종이 마이크로 유체 장치가 일차원 측방 유동 장치이지만, 마이크로 유체 장치를 유지 평면 3 차원 (3D) 용지가 2D 장치 (5)에 의해 요구되는 것보다 훨씬 작은 풋 프린트를 가지고, 다중화 진단 장치 (4)를 제공하도록 약속 이에 따라 작은 샘플 볼륨을 사용합니다. 우선, 평면 3D 종이 마이크로 유체 소자는 개별적으로 조립 된 층별 WI제 레이저 컷 양면 테이프와 번갈아 종이 층을 패터닝. 테이프 층으로 잘라 조심스럽게 정렬 구멍 층간 유체 수송을 위해 셀룰로오스 분말을 충전 하였다. 다른 방법의 네 숫자는이어서, 각 소자의 6-9 개선 여러 측면을 개발 하였다. 특히, 접착제를 피하는하여 장치 외부 클램프에 의해 함께 유지 층 접기 기술로 절첩 될 수있다. (8)이 잠재적으로 작은 샘플을 허용하는 진단 시험에서 잠재적 접착 간섭을 제거하고, 장치가 사용 후 펼쳐질 수 있도록 내부적으로 결과를 표시하여 볼륨. 대안 적으로, 각 종이 층 사이에인가 에어로졸 접착제를 사용하여, 장치의 시트는 시간 소모적 패터닝 테이프의 배향을하지 않고, 동시에 조립 될 수있다. (9) 그러나, 스텐실을 통해 에어로졸 접착제를 도포하여, 그것의 이점을 얻을 수있다이러한 기술의 모두. 스텐실을 통해 접착제를 분무함으로써 상기 접착제의 일부만 층간 유체 전달의 잠재적 간섭을 최소화하는 장치에 적용된다. 또한주의 공판 선택으로, 접착제의 패턴은 여전히​​ 유체 층 사이 심지 할 수 있도록 충분한 층간 접촉을 제공하면서 장치를 허용 반영구적 접착 결과가, 사용 후에 전개되는 것을 적용 할 수있다. 마지막으로, 스텐실을 통해 에어로졸 접착제를 적용하는 것은 빈번하게 폴딩 및 시공시 전개 필요할 수 인접한면에 적용된 접착제의 양을 최소화하여 비평 3D 종이 마이크로 유체 소자의 구성을 용이. (10) 또한, 패터닝 된 접착제를 사용하는 것으로 장치있게 더 편리한 저장을 위해 사용 후 전개. 비평 3D 종이 마이크로 유체 장치는 달리 평면 차원 배포 장치에서 불가능하다 작업에 사용될 것으로 예상되는예.도 1은 평면이고 비평 3D 장치 모두를 구성하는 데 사용되는 일반적인 처리 흐름을 도시한다.

<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.

4 층 소자 테스트는 제한 증착 유체 볼륨의 과도한 증발을 일으킬 수있는 바람 또는 바람 그들을 차폐, 밀봉 챔버에서 수행 하였다. 증발에 의한 속도 심지의 차이가 최소가 될 것으로 예상하고 있으므로 4 층 소자의 위킹의 대부분은 상기 장치의 중간층이다. 또한, 최소한의 측면 심지는 심지 시대의 변화로 인해 수직, 층간 유체 전송에 가능성이 있음을 시사 입구 및 개별 출구 사이에만 13mm와있다. 적용된 접착제의 상이한 양으로 구성된 4 층 소자 용 심지 회 성공률 평균을 표 1에 나타내었다. 적층 장치에서 균일 한 접착 범위는 우리가 접착제의 양을 증가로 감소 상대적으로 높은 성공률 결과. 무늬 접착제 COVERAGE는 접착제를 한쪽에만인가했을 때 매우 낮은 성공률 초래하지만, 패터닝 된 접착제가 양면에 도포하고 더 높은 성공률 빠르게 흡상 시간이었다. 전형적인 성공은도 3a에 도시된다. 이 관찰 된 행동에 대한 몇 가지 잠재적 인 설명이 있으며, 조합은 적용 할 수있다. 도포 된 접착제를 부분적으로 또는 완전히, 물리적으로 차단 될 수 있으며, 용지 층간 작은 유효 접촉 면적 얻어진 용지의 표면에서 기공. 또한, 접착제 자체가 유체가 긴 시간 심지 선도 통해 심지해야 두꺼운 접착제 층에 다른 다공질 기재로 접착 결과 너무 무거운 코팅 작용할 수있다. 접착제를 패터닝하는 반면에, 부분적으로 만 이상의 유체가 회 위킹 감소 직접 종이 층, 종이 층으로부터 윅 있도록 접촉 면적을 흡장 접착제 &#39;점&#39;을 생성한다. 그러나, 이는 매우 현상 감소접착제 적용에서 기 또한 섬유를 팽창 및 전개되는 주름 층이 더 이상 접촉 충분히 분리시킬 때 감소 성공률 결과 종이 층 사이의 접착력의 강도를 감소시킨다. 채널의 테두리의 크기를 두 배로하여 (~ 30 %으로 전체 디바이스 면적의 증가), 단일 및 양면 접착제 분야 모두 성공율이 증가 하였다. 두 크기 간의 비교가도 4에 도시된다. 전형적인 적층 장치 고장 염료가 완전히 채우기에 실패하거나 채우는 이상 5 분 걸렸다 출구를 나타내었다. 이는도 3b에 도시되어있다. 종이 접기 접는 장치에서 균일 한 접착 범위는 적층, 유니폼, 단일 양면 접착 장치에 존재하는 접착제에 해당하는 금액을 적용 할 때 생성 된 완전한 실패와 낮은 성공률 결과. 무늬 접착 커버나이는 훨씬 낮은 성공률 결과; 그러나,이 감소는 3mm 테두리 있었다 약간 큰 장치를 사용하여 상쇄되었다. 일반적인 종이 접기 장치 오류는 염료의 양을 채우기 위해 실패 출구 특징이었다. 이러한 아웃렛은 단독 주름 포함되는 장치의 양측을 따라 위치 하였다. 이는도 3c에 도시되어있다. 다른 스프레이 방법에 따라 적용되는 접착제의 질량은 표 2에 나타낸다. 1.33 초의 상술 분사 기간 접착제 퇴적물 0.26 밀리그램 / cm 2 (건조 중량) (네 수가 180 BPM에서) 시트에 걸쳐 균일하게 분무 할 때 장치, 23 % 열려 스텐실을 통해 분무 경우에만 0.02 밀리그램 / cm 2 (건조 중량)을 증착있다. 비평면 구조 3D에서, 균일 한 접착면에 따르면 인접 같이 어려워 폴딩 초래<html> 조기에 함께 붙어. 구조 내부의 층은 접착제가 건조되면 전개하고, 파쇄 된 종이에 그렇게 결과 수행을 시도 할 수 없습니다. 어떤 실수 접착 쉽게 취소 있다는 무늬 접착 범위는 훨씬 쉽게 접는했다. 접착제가 건조되면, 층은 종이의 리핑 또는 찢어없이 떨어져 뽑아 될 수있다. 접착제 응용 프로그램의 두 가지 방법이 성공적으로 채널과 혼합하지 않고 길이 액체 전달하는 장치의 결과; 그러나, 균일하게 적용 접착제 장치가 눈에 띄게 느렸다. 이 심지의 경과 시간도 5에 도시된다. 위킹 (심지 용)는 상대 습도가 감소 증발이 증가함에 따라, 증착을 최소화&gt; 90 % 상대 습도에서 보관 습도 제어 챔버에서 수행 하였다. 이 때문에 디자인에 존재하는 긴 채널, 최대 165mm 길이, 증발이 크게 심지어 무한 유체 저장 용기와 심지 시간을 증가시킬 수 있습니다. 콘텐츠 &quot;FO : 유지-together.within 페이지 =&quot;1 &quot;&gt; <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/53805/53805fig1.jpg" /> 도 1 디바이스의 제조 프로세스 흐름. (A)는 장치의 제조 누적. (B) 종이 접기 장치 제조. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53805/53805fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/53805/53805fig2.jpg" /> 그림 2. 공작 패턴입니다. 검은 색은 소수성 영역을 나타냅니다 (A) 채널 패턴. (B) 화살표는 각 염료에 의해 ​​취해진 경로를 나타낸다. 서클 층과 점선 간의 접점 수직 위킹 경로를 나타냅니다. 꼬리의 가장자리에 각각의 입구에서 각 채널의 길이는 밀리미터 단위로 표시됩니다. 채널 폭은이 사이 평균꼬리 지역에서 3mm. (13 수정) (C) 주름 패턴입니다. 레드 라인은 최종 구조에서 산 주름에 해당; 검은 선은 계곡 주름에 해당; 파란색 선은 최종 구조에 접어되지 않습니다 주름에 해당하지만, 예비 접는 단계에 도움. 종이 접기 장치와 흰 부분을 제거 접착제 응용 프로그램 중 금속 스텐실 사이에 위치 (D) 마스크. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53805/53805fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/53805/53805fig3.jpg" /> 그림 3. 일반적인 성공과 실패 (A)의 전형적인 성공 -. 모든 콘센트에 완전히 염료 가득합니다. (B) 일반 적층 실패 - 콘센트에 실패 명백한 PATT 없었다자신의 분포 ERN. (C) 일반적인 종이 접기 실패 - 가장 왼쪽 또는 오른쪽 대부분의 열을 따라 주름에 가장 가까운 위치했던 작성하는 데 실패했습니다 모든 콘센트. 모든 스케일 바 5mm입니다. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53805/53805fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/53805/53805fig4.jpg" /> 그림 4. 장치 크기 비교. (A) 작은 장치 (1.6 mm 테두리). (B) 큰 장치 (3mm 테두리). 모든 스케일 바 5mm입니다. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53805/53805fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/53805/53805fig5.jpg" /> 그림 5. . 종이 접기 공작 왼쪽의 시간 경과 : 균일 한 접착제 적용. 오른쪽 :. 패턴 접착에 따르면 <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53805/53805fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> 장치 스타일 </td><td> 접착 성 유형 (시간 / 테두리 / 뒷면) </td><td> 평균 ±의 SD (초) </td><td> 성공률 </td></tr><tr><td> 종이 접기 </td><td> 유니폼 (1.33 초 / 1.6 mm / 더블) </td><td> 44 ± 14 </td><td> 45 % </td></tr><tr><td></td><td> 유니폼 (0.67 초 / 1.6 mm / 더블) </td><td> 0 ± 0 </td><td> 0 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 1.6 mm / 더블) </td><td> 41 ± 13 </td><td> 15 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 3 월 / 더블) </td><td> 64 ± 5​​0 </td><td> 40 %</td></tr><tr><td> 누적 </td><td> 유니폼 (1.33 초 / 1.6 mm / 싱글) </td><td> 152 ± 66 </td><td> 80 % </td></tr><tr><td></td><td> 유니폼 (1.33 초 / 1.6 mm / 더블) </td><td> 119 ± 68 </td><td> 60 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 1.6 mm / 싱글) </td><td> 164 ± 75 </td><td> 25 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 1.6 mm / 더블) </td><td> 81 ± 25 </td><td> 80 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 3 월 / 인) </td><td> 116 ± 63 </td><td> 85 % </td></tr><tr><td></td><td> 무늬 (1.33 초 / 3 월 / 더블) </td><td> 80 ± 55 </td><td> 100 % </td></tr></tbody></table> 다른 접착제 응용 프로그램 조건에 대한 시간과 성공의 요금 심지 표 1. 네 개의 레이어 장치 성능. 평균. 이 N = 20. <table fo:keep-together.within 페이지 = &quot;1&quot;&gt; <tbody><tr><td> 접착제 적용 </td><td> 시간 (초) 스프레이 </td><td> SD ± 평균 질량 (mg의 / cm²) </td></tr><tr><td> 제복 </td><td> 1.33 </td><td> 0.26 ± 0.05 </td></tr><tr><td> 제복 </td><td> 0.67 </td><td> 0.14 ± 0.03 </td></tr><tr><td> 무늬 </td><td> 1.33 </td><td> 0.02 ± 0.01 </td></tr><tr><td> 없음 </td><td> 0 </td><td> -0.01 ± 0 </td></tr></tbody></table> 표 2. 적용 접착제는 금액. 평균 접착제 두께 (건조 질량) 다른 스프레이 조건에서 9 × 9의 cm 광장을 통해 적용했다. 이 N = 10.

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Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

우리는 3D 종이 마이크로 유체 소자를 구성하는 패터닝 된 에어로졸 접착제의 사용을 입증한다. 접착제 신청서이 방법은 단일 사용 장치 활성화 층간 반영구 결합은 비파괴 사용 후 접이식 복잡한 비평면 구조를 용이하게하기 위해 분해된다.

3D 종이 미세 유체 장치를 구축하기 위해 접착제 패터닝을 사용하여

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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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.5K 조회수.  University of California, Riverside.  우리는 3D 종이 마이크로 유체 소자를 구성하는 패터닝 된 에어로졸 접착제의 사용을 입증한다. 접착제 신청서이 방법은 단일 사용 장치 활성화 층간 반영구 결합은 비파괴 사용 후 접이식 복잡한 비평면 구조를 용이하게하기 위해 분해된다. 

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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.

종이 접기 고취 패턴 및 재구성 입자의 자기 조립

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

연구

화학

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.

형광 현미경과 영상 셀 마이그레이션을위한 접착제 및 가용성식이 그라디언트를 만들기

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

생체공학

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.

포토 리소그래피 정의 파릴 렌-C에 대한 세포 패터닝 : 그런가<sub&gt; 2</sub&gt; 기판

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.

미세 패턴 혈관 근육 박막의 확장 문화 미세 유체 Genipin 증착 기술

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.

미세 패턴 매크로 스케일 3D 셀룰러 아키텍처 모듈 형 하이드로 겔 시트의 건설

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.

미세화 및 3D 미세 혈관의 조립

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.

순차모세혈관 보조 어셈블리를 통한 미생물 및 미생물 입자의 패터닝

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

공학

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.

면역 측정법에 대한 3 차원 종이 기반 미세 유체 장치의 제작

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.

패터닝 단백질과 세포의 다목적 방법

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

나노셀룰로오스 종이 기반 분석 장치의 마이크로 엠보싱 제작  

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.

저자 스포트라이트: Nanopaper의 마이크로채널 제조를 통한 미세유체역학의 혁명 

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.

마이크로엠보싱: 나노셀룰로오스 종이 기반 미세유체역학에서 마이크로채널을 제작하기 위한 편리한 공정

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