マイクロエンボス加工:ナノセルロース紙ベースのマイクロ流体工学でマイクロ流路を作製するための便利なプロセス

近年、ナノフィブリル化セルロース(NFC)紙(ナノペーパー)は、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギーデバイス、バイオメディカルなどのさまざまな用途で非常に有望な基板材料として浮上しています1,2,3,4。天然植物由来のナノペーパーは、費用対効果が高く、生体適合性があり、生分解性があり、従来のセルロース紙の魅力的な代替品となっています^5,6。その優れた特性には、表面粗さが25nm未満の超平滑な表面と緻密なセルロースマトリックス構造が含まれ、高度に構造化されたナノ構造の作成を可能にします⁷。ナノペーパーの豊富なヒドロキシル基は、そのコンパクトで密集したナノセルロース構造に寄与しています⁸。ナノペーパーは、優れた光学的透明性と最小限の光学的ヘイズを示すため、光学センサーに適しています。さらに、その固有の親水性は、その厚い構造でもポンプフリーの流れを可能にし、自律的な^{流体運動を提供します9,10}。ナノセルロースは、生体センサー、導電性電子デバイス、細胞培養プラットフォーム、スーパーキャパシタ、バッテリーなどに多様な用途があり、その汎用性と可能性を示しています^11,12。特に、ナノセルロースは紙ベースの分析用マイクロ流体デバイス(μPAD)に有望であり、従来のクロマトグラフィー紙に比べて独自の利点があります。

過去10年間で、μPADは、その手頃な価格、生体適合性、ポンプフリー操作、および製造の容易さにより、大きな注目を集めてきました^13,14。これらのデバイスは、特にリソースが限られている設定で、効果的なポイントオブケア診断ツールとして登場しました^15、16、17。この分野での重要な進歩は、George Whitesides¹⁸ と Bingcheng Lin グループ¹⁹ によって開拓されたワックス印刷の開発であり、クロマトグラフィー用紙にマイクロチャネルを組み込むことで機能的な μPAD の作成を可能にしました。その後、μPADは急速に進化し、電気化学的手法20、化学発光21、酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)^22、23、24などのさまざまなバイオセンシング技術が実装され、タンパク質^{25,26、DNA27,28}、^RNA29,30、エクソソーム³¹.これらの成果にもかかわらず、μPADは流速の遅さや溶媒の蒸発などの課題に直面しています。

ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するためのいくつかの方法が提案されています^32,33,34。1つのアプローチは、材料に犠牲成分を3Dプリントすることを含むが、それはポンプフリー操作を制限する疎水性コーティングを必要とする³³。別の技術では、接着剤を使用してナノペーパーシート間にチャネル層を手動で積み重ねることがありますが、これは労働集約的です³²。或いは、予めパターン化されたモールド上にナノセルロース繊維をスプレーコーティングしてマイクロチャネルを作製することもできるが、それは時間と費用のかかるモールド準備を伴います³⁴。特に、これらの方法はミリメートルスケールのマイクロチャネルに限定されており、試薬の量と積分に関するマイクロ流体デバイスの利点が損なわれています。マイクロメートルスケールの分解能を持つシンプルなナノペーパーマイクロチャネルパターニングプロセスの開発は、依然として課題です。

本研究では、実用的なマイクロエンボス加工に基づく独自のナノペーパーマイクロ流路パターニング法について紹介する。このアプローチは、高価な機器や特殊な機器を必要とせず、シンプルで費用対効果が高く、高精度であるため、既存の方法に比べていくつかの利点があります。凸型マイクロチャネル金型は、化学的不活性と焦げ付き防止特性で知られるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムをレーザー切断することによって製造されます。次に、このモールドを使用して、マイクロチャネルをナノペーパーゲルメンブレンにエンボス加工します。ナノペーパーゲルの2層目を上に塗布し、閉じた中空チャネルを作成します。このパターニング技術を用いて、層流ミキサーや液滴発生装置など、ナノペーパー上の基本的なマイクロ流体デバイスが開発されています。さらに、表面増強ラマン顕微鏡(SERS)ナノパッドの作製も実証されています。2つの化学試薬(AgNO₃およびNaBH₄)をチャネルに導入することにより、銀ナノ粒子ベースのSERS基板をその場で作製し、低い検出限界(LOD)で優れた性能を発揮します。