CN115228520B - 一种热熔胶膜一体成型组装的三维纸芯片制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热熔胶膜一体成型组装的三维纸芯片制作方法，包括多层热熔胶膜和滤纸交错叠放热压结合而得的带有多个通道层的三维立体纸芯片，所述通道层包括顶层通道层、中间通道层和底层通道层。本发明所提供的热熔胶膜组装三维纸芯片采用热熔胶膜一体成型，可同时实现芯片功能通道的疏水壁垒构建和纸芯片的三维堆叠封装。相对于已有方法中纸芯片通道功能化和芯片封装分别进行的过程，本发明的方法合二为一，缩短制程，更适合批量制作三维纸芯片，显著降低生产成本。所制备的纸芯片通道能耐受醇类、表面活性剂等溶剂。

Description

一种热熔胶膜一体成型组装的三维纸芯片制作方法

技术领域

本发明涉及一种三维纸芯片，具体涉及一种新型热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片。

背景技术

微流控芯片(microfluidics)又称为微流控芯片实验室或芯片实验室(lab-on-a-chip，LOC)，通过微加工技术将微管道、微反应器、微电极、微检测器等不同功能的元件集成起来，可以将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米大小的薄片上。微流控技术吸引了众多研究者的关注，因为其具有所需样品体积小、检测效率高、使用成本低且易于和其他技术设备集成，良好的兼容性、便携式检测等特点。近年，微流控芯片技术迅速向生物医学领域渗透，显示了广阔的应用前景，越来越多迹象表明这项技术已成为新一代医学研究和医学检测重要的平台。

微流控纸芯片装置主要由滤纸或纤维素膜等材料制成，是微流控芯片中最具低成本批量应用潜力的形式。微流控纸芯片只要很少的样品和试剂就能够完成其他装置复杂的检测程序；白色的纸芯片使许多利用颜色变化来进行的检测变得更加方便。

3D纸芯片由2D纸芯片的叠加所得。3D纸芯片具有立体网络通道结构，使其具有某些优于2D纸芯片的特点：1)流体的快速输送，因为Z轴方向的路径比x-y平面内的通道路径要短很多；2)单个装置内高通量检测，比如在2cm×2cm×1.2mm的装置内同时进行16个试验；3)易设计功能部件，如将上层纸片用于过滤。目前，文献报道的三维纸芯片加工技术主要有2D纸芯片粘结法和折纸法。2011年，Crooks组报道了用传统手工折纸技术制作三维纸芯片的新方法。具体制作过程是首先用简单的SU8－紫外光刻技术在一层纸芯片上刻蚀好通道、储液池和折痕等分析元件；接着按折痕和一定的折法将该层纸芯片折成多层三维装置；最后减去四个角放进铝制夹板之间等待进样分析。折纸法的缺点在于纸层之间较难对准，并且总是存在缝隙，影响流体垂直流动，还需要配置额外的铝制夹板。Whitesides组利用打有孔眼并在孔眼内填充了纤维素粉的不透水双面胶将两层或多层经SU8－紫外光刻制得的二维纸芯片粘合叠加在一起，首次制得三维纸芯片。这种方法虽然纸层之间能够紧密结合，但是制作过程过于困难和繁琐。2012年，Phillips组报道了一种蜡打印法结合喷胶技术制作三维纸芯片的新方法。喷胶法的问题在于喷胶过程中也需要图案化，技术难度和成本较高，且液体胶溶剂残留对应用试剂和反应可能存在干扰。目前已经报道的文献上都采用胶黏或者夹具的方法。

现有三维纸芯片的结构，制作工艺较为复杂，制作过程较为困难，尤其不便于封接，封接过程繁琐，难以实现三维纸芯片的批量生产。

另一个点是现有的纸芯片疏液材料，以蜡和烷基烯酮二聚体(AKD)为代表，大多都不能耐受生物检测中常用的醇类裂解试剂和表面活性剂。芯片通道围堰能限制生物检测中常用的表面活性剂和醇类溶剂的，目前已报导的只能依靠全氟型的低表面能材料修饰。这类材料(如全氟辛基化合物)所需试剂的毒性和环境危害性较大，或成本很高(如杜邦AF2400系列)，不利于实际应用成本控制和环境许可考核。此外这类全氟型材料无法直接自身粘合构成三维纸芯片。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，该方法制备得到的三维纸芯片能耐受包括醇类和表面活性剂在内的溶剂。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，该方法包括将滤纸和高分子热熔胶膜分别剪裁成相同或相近似尺寸，把热熔胶膜图案化，多张图案化的热熔胶膜与滤纸间隔叠放，经过热压制得三维纸芯片，该三维纸芯片具有多个通道层。该方法获得的芯片通道能够耐受生物检测中常需用到的醇类和表面活性剂等溶剂。

所述三维纸芯片包括顶部通道层、中间通道层和底部通道层，顶部通道层位于顶部热熔胶膜，设有加样区；中间通道层位于中部热熔胶膜，设有通道区；底部通道层位于底部热熔胶膜，设有显示区；加样区、显示区、通道区均为图案化的亲水区，亲水区域以外的部分均为疏水区域。中部热熔胶膜可以为多张，通道区可以为横向通道区、纵向通道区或其他方向通道区。不同溶液在相邻通道层的亲水区域中流动不会互相干扰。

本发明获得的芯片通道对生物检测中常用到的醇类等各种有机溶剂、表面活性剂和裂解剂有耐受能力，能起到限域作用。

所述的热压是通过塑封机进行热压，温度为50-180℃，转速为1-5转每分钟。热压后得到的三维纸芯片放在烘箱中加热，加热温度为50-180℃，加热时间为5-45min。在三维纸芯片烘箱加热后，在空气中冷却1-10min。

上下通道组成的纵向通道区和同一平面的横向或其他方向的通道区互不干扰，两种溶液可同时在不同的通道区中流动。

本发明将热熔胶膜与滤纸组合的三维纸芯片，其中热熔胶膜既是疏水围堰，也是连接滤纸的粘连介质。

本发明采用的热熔胶膜为热塑性高分子膜材料。优选所述的热塑性高分子膜材料聚碳酸酯膜、聚氨酯膜、聚烯烃膜或聚氯乙烯膜。

本发明所采用的滤纸为纤维状过滤纸，优选滤纸为植物纤维素纸、玻璃纤维纸。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：

本发明所提供的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片采用热熔胶膜一体成型组装，同时热熔胶膜渗透到滤纸中形成疏水屏障，在保证纸芯片层粘接紧密的前提下，减少繁复的芯片封装步骤，使得三维纸芯片制备容易实现产业化，显著降低生产成本；本发明采用的热熔胶膜使滤纸近似透明，因而易于观察三维纸芯片内部通道的流动情况，扩展其应用范围。对比已有的纸芯片加工方法，本发明采用的高分子热熔胶膜所形成的纸芯片通道既能实现直接三维芯片组装又具备对醇类、表面活性剂及多种有机溶剂的耐受性能。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的结构拆解示意图。

图中，1为第一层热熔胶膜、3为第二层热熔胶膜、5为第三层热熔胶膜、7为第四层热熔胶膜，9为第五层热熔胶膜；2为第一层滤纸、4为第二层滤纸、6为第三层滤纸、8为第四层滤纸。

图2为本发明实施例所提供的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片中的热熔胶膜的平面示意图。

图中，1-1、1-2、1-3为加样区；3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6为纵向通道区；5-6、7-7为横向通道区；9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6为显示区；10为背景区域。

图3为本发明实施例所提供的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的实物图，图3A为三维纸芯片实物正面，图3B为三维纸芯片实物背面。

图4为常规热转印蜡(wax)、烷基烯酮二聚体(AKD)形成的芯片通道与本发明制作的聚氨酯(TPU))纸芯片通道对溶剂耐受效果对比图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

一种热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片，参阅图1-2，包括热熔胶膜与滤纸间隔放置；其中，1、3、5、7、9分别为热熔胶膜，2、4、6、8分别为滤纸。滤纸为植物纤维素纸，热熔胶膜为聚氨酯膜。

制作时：

(1)将热熔胶膜和滤纸分别裁剪成4×10cm的大小，按照图例分别切割胶膜1，3、5、7、9，其中胶膜大圆直径为20mm，小圆直径为5mm；与圆相连的通道宽度为2mm；胶膜9字母为模具所刻，宽度为4mm。三维纸芯片包括顶部通道层、中间通道层和底部通道层，顶部通道层位于顶部热熔胶膜，设置加样区1-1、1-2、1-3；中间通道层位于中部热熔胶膜，设有纵向通道区3-1、3-2、3-3、3-4、3-5，5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、7-1、7-2、7-3、7-4、7-5、7-6；横向通道区5-6、7-7；底部通道层位于底部热熔胶膜，设有显示区9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6。黑色的背景区域10均为疏水区域，其余有色区域均为亲水区域。

(2)将上述切割好的图案化胶膜与滤纸间隔叠放，然后用离型纸夹住，通过塑封机，设置塑封机温度120℃，塑封机转速2转每分钟。热熔胶膜与滤纸粘连在一起形成三维纸芯片。

(3)得到的三维纸芯片转移到烘箱中，设置烘箱温度130℃，加热时间30min。加热后，取出三维纸芯片，放置在空气中冷却5min。

实施例2

在应用时，如图2-3所示，在三维纸芯片的1-1处滴加黄色溶液，该溶液从1-1按照3-1、5-1、7-1、7-4的顺序流动，最后7-1处黄色液体从9-1显示，7-4处黄色液体从9-4显示；在1-2处滴加红色溶液，该溶液从1-2流向3-2、3-3、3-4，3-2处红色液体按照5-2、7-2、9-2顺序流动显示，3-4处红色液体按照5-4、7-4、9-4顺序流动显示；在1-3处滴加蓝色溶液，该溶液从1-3流向3-5、5-5，5-5处蓝色液体流向5-3，最后7-3处蓝色液体从9-3流出，7-6处蓝色液体从9-6显示。

由图3可以看出，依照本方法制作的实物样例中，液体按照设计通道流动，并且不会溢出通道区域，最后从特定的区域流出，显示颜色。图3A为三维纸芯片实物正面，正面为加液口层；图3B为三维纸芯片实物背面，背面为显示层。

实施例3

蜡和烷基烯酮二聚体(AKD)采用热转印方法制备纸芯片通道，将图案化的蜡(或AKD)纸上的蜡或AKD通过塑封机热转印到滤纸上，制成芯片通道。聚氨酯热熔胶膜采用本发明方法制成芯片通道。将上述过程分别制得的纸芯片通道对不同溶剂的耐受情况进行对比，各种溶剂均加入二甲酚橙辅助显色，结果见图4。其中，蜡(wax)，烷基烯酮二聚体(AKD)，聚氨酯(TPU)，溴代十六烷基三甲胺(CTAB，1％)，吐温-20(Tween-20，1％)二甲亚砜(DMSO)。

由图4可以看出，依照本发明方法制作的聚氨酯纸芯片通道对各种溶剂的耐受效果均显著优于蜡和烷基烯酮二聚体等材料形成的芯片通道。

因此，本方法操作过程简单，成本低效率高。与已报导的三维纸芯片制作方法相比较，使用本发明方法制备的微流控纸芯片，不需要额外夹具或胶粘堆叠步骤，通过胶膜粘连滤纸并同时形成亲水通道疏水壁垒。热熔胶膜和滤纸组成的三维立体芯片近于透明，便于观察通道内流动情况。且相对于已报道的纸芯片加工方法，无需使用全氟型材料，即可实现对生物检测中常用的醇类、表面活性剂、裂解剂等起到限域作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，该方法包括将滤纸和高分子热熔胶膜分别剪裁成相同或相近似尺寸，把热熔胶膜图案化，多张图案化的热熔胶膜与滤纸间隔叠放，经过热压制得具有多个通道层的三维纸芯片；所述三维纸芯片包括顶部通道层、中间通道层和底部通道层，顶部通道层位于顶部热熔胶膜，设有加样区；中间通道层位于中部热熔胶膜，设有通道区；底部通道层位于底部热熔胶膜，设有显示区；加样区、显示区、通道区均为图案化的亲水区，亲水区域以外的部分均为疏水区域，不同溶液在相邻通道层的亲水区域中流动不会互相干扰。

2.根据权利要求1所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于所述的热压是通过塑封机进行热压，温度为50-180 ℃，转速为1-5转每分钟。

3.根据权利要求1所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，热压后得到的三维纸芯片放在烘箱中加热，加热温度为50-180 ℃，加热时间为5- 45 min。

4.根据权利要求3所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，在三维纸芯片烘箱加热后，在空气中冷却1-10 min。

5.根据权利要求1所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，高分子热熔胶膜为热塑性高分子膜材料。

6.根据权利要求5所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，所述的热塑性高分子膜材料为聚碳酸酯膜、聚氨酯膜、聚烯烃膜或聚氯乙烯膜。

7.根据权利要求1所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，滤纸为纤维状过滤纸。

8.根据权利要求7所述的热熔胶膜一体成型组装三维纸芯片的制作方法，其特征在于，所述的纤维状过滤纸为植物纤维素纸或玻璃纤维纸。

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