Pressure-sensitive adhesive tapes for IVD applications

 

Selecting the proper pressure-sensitive adhesive tape can guarantee product performance and can 

save production costs of IVD test strips.  

IVD test strips and biosensors are used in a range of modern diagnostic applications such as blood 

glucose monitoring, pregnancy and fertility tests, and infectious disease detection. Such test strips 

are normally composed of several layers. The state-of-the-art assembly of bonding the 

different layers is accomplished by either printing heat-seal adhesives or using pressure-sensitive adhesive (PSA) tapes. One single test strip often contains various layers of tapes for 

laminating and marking. For example, in capillary cell biosensors, a spacer tape defines the height of 

the capillary cell, which is formed by die- or laser-cutting, 

while the lid of the capillary is made of another adhesive tape or a hydrophilic film. 

PSA tapes offer diverse advantages for manufacturing IVD test strips and biosensors. 

They are easier and faster to apply, do not need any heat activation, which might damage 

the enzyme or other test strip components, and can generate a sufficient and well defined

thickness in one step. Therefore, many capillary cell biosensor manufacturers prefer PSA 

spacer tapes. 

However, if an IVD test strip manufacturer uses an inappropriate adhesive, oozing and adhesive 

buildup on machine parts during slitting can be an issue.1 Oozing, or cold flow of the adhesive, 

can result in numerous problems. For example, if the adhesive oozes out of the edges of the test 

strips, the strips may stick to each other or the packaging. If the adhesive oozes into a biosensor’

capillary channel, the channel geometry can change, the adhesive might cover and reduce the active

 enzyme area, or the adhesive could clog the capillary cell’s venting hole. The eventual consequences 

can be inaccurate test results or defective test strips. Also, adhesive buildup can be an automation 

challenge for the machine builders and an issue for manufacturers since additional cleaning would be 

required, causing additional machine downtime and maintenance. 

The compatibility of the adhesive system with the test assay (or other parts of the test strip) and 

aging stability are thoroughly tested at an early stage in test strip development. Such prerequisites 

are well known by adhesive and tape manufacturers involved in the IVD industry, and are key 

considerations during raw material selection, product development, and manufacturing.

In contrast, adhesive buildup and manufacturing efficiency are sometimes tested at later stages 

in product development (e.g., if a new product is to be produced on a new manufacturing line). 

The possibility of adhesive buildup and its extent depend on the type and characteristics of the 

adhesive being used. Mitigating this issue could start with selecting and using PSA tapes at an early 

stage in test strip development. This article provides background information, study results, 

and recommendations to consider when testing and selecting PSA tapes for IVD test strips. 

Pressure-Sensitive Adhesives and Tapes for IVDs

In general, four different types of PSAs are used in IVD test strips and biosensors: pure acrylic, 

modified acrylic, water-based acrylic, and rubber-based adhesives. Pure acrylic adhesives consist of a copolymer, which is made of monomers of 

different acrylic derivates. Modified acrylic adhesives contain additional resins to increase adhesion. 

Water-based acrylic adhesives are dispersions, which contain emulgators. Rubber-based adhesives are composed of elastomers/polymers, resins, oil or softeners, and stabilizers.1-2 

Compatibility of the adhesive with the IVD assay depends on the complexity of the adhesive 

formulation, or the chemical diversity of the adhesive components. As a general rule, adhesives with 

less complex formulations and possible impurities have a lower propensity for interactions with test 

components and thus higher compatibility levels. In addition, a higher number of raw materials

 increase the risk of subsequent product changes (e.g., if raw material suppliers modify their products). 

Adhesion, the bonding strength of the adhesive to the substrate, and cohesion, the adhesive’s inner 

strength, are the most important characteristics of an adhesive used in IVD test strips. On one hand, 

they determine the test strip’s integrity and performance; on the other hand, they safeguard the 

stability and efficiency of the production process. The adhesive tape must bond to the other layers of

 the test strip immediately and reliably. The initial and permanent bonding strength depends on not 

only the adhesive properties but also other factors, such as the substrate materials, their polarity, 

roughness, and ambient temperature. The bonding strength to the substrate increases after the 

initial bonding and reaches a plateau over time. Therefore, while the initial adhesion of the PSA tape 

must be sufficient to guarantee a stable production process and the test strip’s integrity, it does not 

need to increase further. 

This point is very important when selecting the proper adhesive tape for IVD applications,

 since adhesion and cohesion evolve in opposite directions and it is expected that the higher 

the cohesion, the lower the tendency for adhesive buildup.2 The cohesive properties of an adhesive 

depend on the adhesive formulation, the molecular weight of the polymers, and the degree of cross-linking. The higher the molecular weight and the longer the polymer chains, the higher the inter-molecular entanglement and cohesion. 

Cross-linking, or the forming of bonds between the polymer chains, also increases cohesion. 


Tape CharacteristicsTable I shows only those trends and limitations that are valuable for an initial 

selection of PSA tapes, and simplifies the view on adhesives. In reality, the adhesive and cohesive 

properties of all types of adhesives can vary over a broad range. The properties can be adjusted 

and balanced in various ways, such as the selected monomers and their polarity, the type of polymer, 

the molecular weight of the polymer, cross-linking, or the utilization of additives

 (e.g., tackifiers and plasticizers).

 Testing the level of adhesion is done by conducting peel adhesion on different materials such as

 steel or polyethylene terephthalate (PET). Cohesion is measured by static shear resistance tests 

and/or shear deformation tests.1,3-6

Table I evaluates and compares the characteristics that determine the compatibility and efficient

 production of different adhesive types. The comparison reveals that acrylic adhesives offer 

advantages compared with rubber-based adhesives with respect to compatibility. While the cohesion of rubber-based adhesives is low, pure and modified acrylic adhesives can cover nearly the complete range of 

the adhesion and cohesion spectrum. Water-based acrylic adhesives with a limited adhesive-cohesive profile are used for special applications, such as inline printing. 

To assess in detail the buildup of adhesive residue during slitting and to correlate the buildup to PSA

tape characteristics, a number of commercially available double-coated tapes used to manufacture IVD test strips were examined. This study focused on PSA tapes 

with pure and modified acrylic adhesives since they dominate the market for IVD test strips and 

biosensors. Table II summarizes the characteristics of the different tapes. 

Table II reveals that the peel adhesion on PET varied only slightly for most products, except Tape 4. 

The results of the peel adhesion studies depend on the type of adhesive, the adhesive coat weight, 

and the stiffness (or thickness) of the backing material. Therefore, peel adhesion values between two

and four N/cm are presumably sufficient in most cases to ensure a stable manufacturing process 

and product integrity for IVD test strips. (Even if the initial adhesion is too low for a stable process,

a slight increase in lamination temperature and pressure can rectify this problem.) This level of peel 

adhesion can be reached with pure acrylic adhesives, which offer advantages with respect to compa

tibility. The cohesion properties of pure acrylic adhesives also cover a broad range as verified by the 

shear study results. Tapes 1 and 2 by tesa SE (Hamburg, Germany), which are based on the same 

adhesives that are specially designed for IVD test strip applications, show a very high cohesion 

compared with the other tapes.

The PSA tape properties were also investigated using dynamic mechanical analysis (DMA), which 

allows the measurement of an adhesive’s viscoelastic properties. Storage modulus G′, loss modulus 

G″, tan δ (G″/G′), and viscosity were the properties analyzed by DMA. These properties were 

determined as a function of the temperature (temperature sweep at a constant frequency) or 

as a function of the frequency (frequency sweep at a constant temperature). DMA enables a general

 prediction regarding the adhesion properties and the performance of an adhesive in production 

processes, and is also a useful tool when comparing adhesives. 


Figure 1. (Click here to enlarge.) Dynamic mechanical analysis of pressure-sensitive tapes used in IVD test strips and biosensors.

 Adhesive Residue During Slitting

 

Figure 1 compares the viscoelasic properties of the different tapes as examined by DMA 

(tan δ in temperature sweep at a constant frequency of 0.1 rad/s). A good indicator of an 

adhesive’s cohesion is the tan δ value (G″/G′) at higher temperatures. In general, the lower the tan 

δ value at higher temperatures, the higher the adhesive’s cohesion. The graphs for tapes 1 and 2 

are identical because they were made with the same adhesive, which had a lower tan δ value 

at temperatures higher than 50° compared with the other products (see Figure 1). The results of 

the DMA corresponded with those of the shear studies.

The PSA tapes were tested in slitting trials using a Matrix 2501 Module by Kinematic Automation 

(Twain Harte, CA). The adhesive buildup from endless slitting runs was determined every 100 meters

 on a semiquantitative basis. No processing aids, such as knife oil, were used during the trials. 

The slitting was stopped after either heavy adhesive buildup on the cutting blades or after reaching 

600 meters.

Figure 2. (Click here to enlarge.) Adhesive build up during slitting with the Kinematic Matrix 2501 

Module.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2 gives an overview of the results, and the photographs in Figure 3 show the adhesive build up observed in this study.

The results confirmed that the higher the cohesion, the lower the adhesive residue. Surprisingly, 

the significant increase of the adhesive coat weight in tesa tapes 1 and 2 from 2 × 15 gsm to 

× 35 gsm did not cause greater adhesive buildup. This result confirmed that the high cohesive 

strength of the tesa tapes is sufficient to avoid adhesive buildup. In addition, tapes 3 and 4, 

with a higher adhesive coat weight than tapes 5 and 6, exhibited comparatively lower levels of 

adhesive buildup. Thus, the study concluded that the cohesive characteristics affect adhesive buildup 

more than the tape’s adhesive coat weight.

It is commonly believed that a low adhesive coat weight or a decrease in coat weight reduces the 

risk and extent of adhesive buildup. However, such an approach to decreasing adhesive coat 

weight in order to reduce adhesive buildup does not get to the root of the problem (i.e., adhesive 

formulation) but only optimizes superficially. This approach might even result in additional adhesion-related problems during manufacturing or product-related problems with regard to IVD test strip stability or integrity when applied to challenging or 

rough surfaces.

This dilemma and the results of this study showed that the key success factor for a stable and 

efficient IVD test strip production lies in carefully selecting a PSA tape with well-balanced adhesion and cohesion properties (i.e., an adhesive specially developed for this application). 

As with any application and final test strip design, the IVD manufacturer must determine the suitability 

of a specific tape.

Figure 3. (Click here to enlarge.) Photographs of adhesive buildup observed in this article.

Oozing Tests and Results

The tendency for oozing, or cold flow, is a consequence of the PSA’s viscoelastic behavior. 

In general, the higher the cohesion, the lower the tendency for cold flow. The tendency for oozing 

was tested using tapes 2 and 5. The 2.5 × 2.5-cm tape samples were applied to a release liner,

loaded with 10 kg weight, and stored at 70° C for 14 days. The microscopic images of the samples

after storage show oozing in direct correlation to the adhesive’s cohesion (i.e., very clearly for Tape

5, but almost none for Tape 2) (see Figure 4). In addition, the image of Tape 5 reveals another 

issue related to oozing during manufacturing: the tape’s contours become indistinct due to the 

adhesive seeping over the edge. The lack of clarity at the edge of the tape means that the die-cut contours can no longer be used as a register for positioning test strip components during 

lamination (e.g., when positioning a capillary die-cut onto a bottom 

film carrying the enzymes and electrodes), and severely affects the reproducibility of manufacturing

processes.

Figure 4.(Click here to enlarge.) Microscopic pictures (100×) of tapes 2 and 5 after oozing tests.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Conclusion

The selection of adhesive tapes is a critical step in developing new IVD test strips. This selection 

should be based on product design-related properties, such as compatibility, stability,

thickness tolerances, etc., but must also consider manufacturing-related characteristics. 

In this respect, while adhesion is obviously the first characteristic to be considered, cohesive 

characteristics are sometimes neglected during the initial selection stage. The result is that a series 

of optimization cycles with changes in the tools, the process, or even the adhesive tape are required

to reduce adhesive buildup or oozing. Under the pressure of a tight product launch schedule, 

such changes can become an adhesive nightmare.

Selecting the right tape with the right adhesive at an early stage in IVD test strip development 

reduces time-to-market and provides the basis for a stable and efficient production. 

The balance between adhesive and cohesive characteristics and customized tape designs is a key 

success factor. Pure acrylic adhesives offer an adhesion level sufficient for most test strip substrates

 and advantages with respect to cohesion (i.e., a lower risk of adhesive buildup). In addition, 

they offer advantages with respect to compatibility.
(View this article's sidebar.)

 

Pressure-sensitive adhesive tapes for IVD applications