Inkjet-printed hydrophobic patterning of porous substrates for microfluidic applications
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2014-05-06
Department
Major/Subject
Paperi- ja painatustekniikka
Mcode
P3003
Degree programme
PUU - Puunjalostustekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
184 + 17
Series
Abstract
Paperfluidic devices are microfluidic devices patterned out of paper or other highly porous material. Liquid transport in paperfluidic devices is propelled either by surface wetting or interior capillary wicking. The direction of aqueous liquid flow on such devices is controlled by selective patterning of hydrophobic barriers on an otherwise hydrophilic base substrate. A variety of hydrophobic materials and printing methods have been lately demonstrated as feasible for producing such patterns. Unlike conventional graphic printing, hydrophobising ink has to penetrate the whole depth of the wicking substrate, in order to produce properly functioning leak-free barriers. One major expected application area for paperfluidics in the future is in the field of lab-on-a-chip devices, intended to provide simple, transportable, disposable and self-sufficient analysis tools for medical diagnostics and environmental monitoring. On such devices, fluid samples flow along hydrophilic channels through assay zones, where they chemically interact with pre-applied reagents. This study focused on the development of simple solvent-based hydrophobic inks for inkjet printing of microfluidic patterning on paper substrates. Hydrophobic inks were produced by dissolving alkyl ketene dimer (AKD), paraffin wax and low molecular weight polystyrene in p-xylene. Hydrophobic test patterns were created by inkjet printing these inks on two highly porous filter papers. AKD ink was found to produce effective hydrophobic barriers but with poorly defined borders. Polystyrene ink produced well defined borders, but could only penetrate the full depth of the substrate on one paper. Channels 680 ± 80 μm wide and barriers 883 ± 91 μm wide could be produced with it. Adding polystyrene as a rheological modifier to AKD ink improved jetting frequency. Paraffin wax could not be dissolved in sufficient amounts to produce proper barriers. Hydrophobic ink penetration into filter paper was found to take place as film flow rather than through complete filling of pores. Paper properties and ink viscosity were considered to play a role in providing ink with a quick access to the reverse side. Differences in border definition might be due to the well-known coffee stain effect and different interaction with the cellulose fibre surfaces.Paperifluidiset laitteet ovat mikrofluidisia laitteita, jotka muodostetaan hydrofobisesti kuvioimalla paperia tai muuta huokoista materiaalia. Tällaisissa laitteissa vesi virtaa spontaanisti pintajännityksen ja kapillaaripaineen vaikutuksesta samalla kun hydrofobiset seinämät ohjaavat virtausta hydrofiilisia kanavia pitkin. Virtauskuvioita voidaan valmistaa olemassa olevilla painatusmenetelmillä käyttämällä hydrofobista materiaalia sisältäviä musteita. Toisin kuin perinteisessä graafisessa painatuksessa, hydrofobisia virtauskuvioita valmistettaessa musteen täytyy tunkeutua paperiin koko sen syvyydeltä muodostaakseen toimivia seinämiä. Tulevaisuudessa paperifluidistiikan odotetaan tarjoavan alustan yksinkertaisille, helposti kuljetettaville ja kertakäyttöisille testilaitteille muun muassa lääketieteellisessä diagnostiikassa ja ympäristön laadun tarkkailussa. Tällaisissa laitteissa nestemäiset näytteet virtaavat hydrofiilisia kanavia pitkin testialueille, joissa ne reagoivat valmistusvaiheessa lisättyjen kemikaalien kanssa. Tässä tutkimuksessa keskityttiin tutkimaan yksinkertaisten liuotinpohjaisten mustesuihkumusteiden käyttöä virtauskuvioiden muodostamiseen paperille. Hydrofobiset musteet valmistettiin liuottamalla alkyyliketeenidimeeriä (AKD), parafiinia ja pienimolekyylimassaista polystyreenia p-ksyleeniin. Virtauskuviot muodostettiin tulostamalla musteita kahdelle eri suodatinpaperille. AKD-pohjainen muste muodosti tehokkaita hydrofobisia esteitä, tosin esteiden reuna-alueet olivat epätarkkoja. Polystyreeni-pohjainen muste muodosti tarkkarajaisia kuvioita, mutta tunkeutui riittävästi paperin läpi vain toisella testatulla paperilla. Sillä voitiin kuitenkin valmistaa 680 ± 80 μm leveitä kanavia ja 883 ± 91 μm leveitä hydrofobisia seinämiä. Lisäksi pienen polystyreenimäärän lisääminen AKD-pohjaiseen musteeseen paransi syntyneen musteen tulostustaajuutta. Parafiini ei liuennut riittävissä määrin muodostaakseen tehokkaita esteitä paperille. Hydrofobisten musteiden tunkeutuminen paperiin tapahtui pääasiallisesti pintavirtauksena kuitujen pintoja pitkin, näiden välisten huokosten täyttymisen sijaan. Paperin ominaisuudet ja musteen viskositeetti olivat merkittävässä osassa musteen tunkeutumissyvyyden kannalta. Erot hydrofobisten kuvioiden reuna-alueiden tarkkuudessa saattavat johtua hyvin tunnetusta kahvitahrailmiöstä ja hydrofobisoivien materiaalien erilaisesta vuorovaikutuksesta selluloosakuidun pinnan kanssa.Description
Supervisor
Gane, PatrickThesis advisor
Jutila, EveliinaKeywords
inkjet printing, functional printing, hydrophobic ink, polystyrene, alkyl ketene dimer, microfluidics, paperfluidics, mustesuihkutulostus, funktionaalinen painatus, hydrofobinen muste, polystyreeni, alkyyliketeenidimeeri, mikrofluidistiikka, paperifluidistiikka
