Microgoffratura: un processo conveniente per la fabbricazione di microcanali su microfluidica a base di carta nanocellulosica

Recentemente, la carta di cellulosa nanofibrillata (NFC) (nanocarta) è emersa come un materiale di substrato molto promettente per varie applicazioni come l’elettronica flessibile, i dispositivi energetici e i biomedici 1,2,3,4. Derivata da piante naturali, la nanocarta è economica, biocompatibile e biodegradabile, il che la rende un’alternativa interessante alla tradizionale carta di cellulosa ^5,6. Le sue eccezionali proprietà includono una superficie ultra-liscia con una rugosità superficiale inferiore a 25 nm e una struttura a matrice di cellulosa densa, che consente la creazione di nanostrutture altamente strutturate⁷. Abbondanti gruppi ossidrilici di nanocarta contribuiscono alla sua struttura nanocellulosica compatta e compatta⁸. La nanocarta presenta un’eccellente trasparenza ottica e una minima foschia ottica, il che la rende adatta per i sensori ottici. Inoltre, la sua idrofilia intrinseca consente un flusso senza pompa, anche con la sua struttura spessa, fornendo un movimento autonomo del fluido ^9,10. La nanocellulosa ha diverse applicazioni in sensori biologici, dispositivi elettronici conduttivi, piattaforme di coltura cellulare, supercondensatori, batterie e altro ancora, dimostrando la sua versatilità e il suo potenziale^11,12. In particolare, la nanocellulosa è promettente per i dispositivi microfluidici analitici (μPAD) a base di carta, offrendo vantaggi unici rispetto alla carta per cromatografia convenzionale.

Nell’ultimo decennio, i μPAD hanno attirato un’attenzione significativa grazie alla loro convenienza, biocompatibilità, funzionamento senza pompa e facilità di produzione^13,14. Questi dispositivi sono emersi come efficaci strumenti diagnostici point-of-care, in particolare in contesti con risorse limitate^15,16,17. Un progresso significativo in questo campo è stato lo sviluppo della stampa a cera, introdotta da George Whitesides¹⁸ e dal gruppo Bingcheng Lin¹⁹, che ha permesso la creazione di μPAD funzionali incorporando microcanali su carta cromatografica. Successivamente, i μPAD si sono evoluti rapidamente e varie tecniche di biorilevamento, tra cui i metodi elettrochimici 20, la chemiluminescenza²¹ e il saggio di immunoassorbimento enzimatico (ELISA)22,23,24, sono state implementate con successo per il rilevamento di diversi biomarcatori come proteine 25,26, DNA 27,28, RNA ^29,30 e esosomi³¹. Nonostante questi risultati, i μPAD devono ancora affrontare delle sfide, tra cui la bassa velocità di flusso e l’evaporazione del solvente.

Sono stati proposti diversi metodi per la creazione di microcanali su nanocarta^32,33,34. Un approccio prevede la stampa 3D di ingredienti sacrificali nel materiale, ma richiede un rivestimento idrofobico che limiti il funzionamento senza pompa³³. Un’altra tecnica prevede l’impilamento manuale degli strati di canale tra i fogli di nanocarta utilizzando la colla, che richiede molto lavoro³². In alternativa, il rivestimento a spruzzo di fibre di nanocellulosa su stampi pre-strutturati può creare microcanali, ma comporta una preparazione dello stampo lunga e costosa³⁴. In particolare, questi metodi sono limitati a microcanali su scala millimetrica, compromettendo i vantaggi dei dispositivi microfluidici per quanto riguarda il consumo e l’integrazione del volume dei reagenti. Lo sviluppo di un semplice processo di modellazione a microcanali di nanocarta con risoluzione su scala micrometrica rimane una sfida.

Questo studio presenta un metodo unico di modellazione a microcanali di nanocarta basato sulla microgoffratura pratica. L’approccio offre diversi vantaggi rispetto ai metodi esistenti, in quanto non richiede attrezzature costose o specializzate, è semplice, economico e altamente accurato. Uno stampo a microcanali convesso viene fabbricato tagliando al laser un film di politetrafluoroetilene (PTFE), noto per la sua inerzia chimica e le sue proprietà antiaderenti. Questo stampo viene quindi utilizzato per imprimere microcanali su una membrana di gel di nanocarta. Un secondo strato di gel di nanocarta viene applicato sulla parte superiore per creare canali cavi chiusi. Utilizzando questa tecnica di patterning, vengono sviluppati dispositivi microfluidici fondamentali su nanocarta, tra cui un miscelatore laminare e un generatore di gocce. Inoltre, viene dimostrata la fabbricazione di nanoPAD per microscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS). La creazione in situ di un substrato SERS a base di nanoparticelle d’argento si ottiene introducendo due reagenti chimici (AgNO₃ e NaBH₄) nei canali, ottenendo prestazioni notevoli con bassi limiti di rivelazione (LOD).