Verdrucken von Nanocellulosefasern in konventionellen direkten Druckverfahren auf Karton und anschließendes Prägen von Kapillarstrukturen mit Hilfe von 3D-gedruckten Prägeformen

In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit mit Nanocellulose beschichteter Karton für die Nutzung als Point-of-Care Tests (POCT) verwendet werden kann. Die Nanocellulose wurde von RISE aus Schweden zur Verfügung gestellt. Untersucht wurden sowohl rheologische Eigenschaften als auch Verdruckbarkeit der Nanocellulose in konventionellen direkten Druckverfahren. In die gedruckten Proben wurden mit Hilfe von 3D-gedruckten Prägewerkzeugen Kapillaren zum Flüssigkeitstransport geprägt. Die Ergebnisse der Arbeit haben gezeigt, dass es theoretisch möglich ist, mit Nanocellulose beschichteten Karton als Basismaterial für POCT einzusetzen. Die vorliegende Arbeit ist eine Untersuchung, inwieweit die Herstellung eines kartonbasierter POCT mit Kapillaren zum Transport von Flüssigkeiten mit Hilfe von Nanocellulose und additiv gefertigten Prägewerkzeugen möglich ist. Die Nanocellulose wurde von RISE aus Schweden zur Verfügung gestellt. Rheologische Untersuchungen ergaben, dass diese mit Hilfe eines Bingham-Modells beschrieben werden können und einer Fließgrenze unterliegen. Die Nanocellulose wurde mit Hilfe der konventionellen direkten Druckverfahren Flexo-, Tief- und Siebdruck auf verschiedene Kartonsorten aufgetragen. Der Flexo- und Tiefdruck erwies sich aufgrund einer Saffman-Taylor-Instabilität als ungeeignet zur Erzeugung von homogenen Schichten. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass mit Hilfe des Siebdrucks unter Verwendung eines Siebs mit sehr hoher Nassfarbschichtdicke die besten Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Nutzung von offenen Kapillaren in POCT erfordert einen möglichst geringen Kontaktwinkel. Durch das Applizieren von Nanocellulose konnte sowohl der Kontaktwinkel des Kartons auf einen geeigneten Wert reduziert werden als auch das Penetrationsverhalten insofern verändert werden, dass die Penetration einer aufgetragenen Flüssigkeit zunächst in der Nanocellulose stattfindet. Die Penetration in den Karton selbst wurde durch die Nanocellulose stark verzögert. Die Funktionalität von offenen Kapillaren konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgrund von mangelnder Herstellgenauigkeit der additiven Fertigung und begrenzter Kartonauswahl nicht erreicht werden. Allerdings konnten mit Hilfe einer Folienkaschierung funktionelle geschlossene Kapillaren erzeugt werden, welche einen Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte über eine Distanz von 25 mm ohne Penetration in den Karton ermöglichen. Dies zeigt, dass die Herstellung und Nutzung von kartonbasierten POCT theoretisch möglich ist. The present work is an investigation into the potential of fabricating a cardboard-based POCT with capillaries for transporting fluids using nanocellulose and additive manufactured embossing tools. The nanocellulose was provided by RISE from Sweden. Rheological studies showed that they can be described using a Bingham model and are subject to a yield point. The nanocellulose was applied to various types of cardboard using the conventional direct printing processes of flexographic, gravure and screen printing. Flexo and gravure printing proved unsuitable for producing homogeneous layers due to a Saffman-Taylor instability. Various investigations showed that screen printing using a screen with a very high wet ink film thickness produced the best results. The use of open capillaries in POCT requires the lowest possible contact angle. By applying nanocellulose, it was possible to reduce the contact angle of the cardboard to a suitable value and to change the penetration behavior in that the penetration of an applied liquid first takes place in the nanocellulose. Penetration into the cardboard itself was greatly delayed by the nanocellulose. The functionality of open capillaries could not be achieved in this work due to lack of manufacturing accuracy of additive manufacturing and limited cardboard selection. However, functional closed capillaries could be created using film lamination, allowing fluid transport by capillary forces over a distance of 25 mm without penetration into the cardboard. This shows that the production and use of cardboard-based POCT is theoretically possible.