Microgaufrage : un procédé pratique pour la fabrication de microcanaux sur la microfluidique à base de papier nanocellulosique

Récemment, le papier de cellulose nanofibrillée (NFC) (nanopapier) est apparu comme un matériau de substrat très prometteur pour diverses applications telles que l’électronique flexible, les dispositifs énergétiques et les produits biomédicaux 1,2,3,4. Dérivé de plantes naturelles, le nanopapier est économique, biocompatible et biodégradable, ce qui en fait une alternative attrayante au papier cellulosique traditionnel ^5,6. Ses propriétés exceptionnelles comprennent une surface ultra-lisse avec une rugosité de surface inférieure à 25 nm et une structure à matrice cellulosique dense, permettant la création de nanostructures hautement structurées⁷. D’abondants groupes hydroxyles de nanopapier contribuent à sa structure nanocellulosique compacte et serrée⁸. Le nanopapier présente une excellente transparence optique et une brume optique minimale, ce qui le rend bien adapté aux capteurs optiques. De plus, son hydrophilie inhérente permet un écoulement sans pompe, même avec sa structure épaisse, offrant un mouvement de fluide autonome ^9,10. La nanocellulose a diverses applications dans les capteurs biologiques, les dispositifs électroniques conducteurs, les plateformes de culture cellulaire, les supercondensateurs, les batteries, etc., démontrant sa polyvalence et son potentiel^11,12. En particulier, la nanocellulose est prometteuse pour les dispositifs microfluidiques analytiques à base de papier (μPAD), offrant des avantages uniques par rapport au papier de chromatographie conventionnel.

Au cours de la dernière décennie, les μPAD ont fait l’objet d’une attention particulière en raison de leur prix abordable, de leur biocompatibilité, de leur fonctionnement sans pompe et de leur facilité de production^13,14. Ces appareils sont devenus des outils de diagnostic efficaces au point de service, en particulier dans les milieux à ressources limitées^15,16,17. Une avancée significative dans ce domaine a été le développement de l’impression à la cire, mise au point par George Whitesides¹⁸ et le groupe de Bingcheng Lin¹⁹, permettant la création de μPAD fonctionnels en incorporant des microcanaux sur du papier de chromatographie. Par la suite, les μPAD ont rapidement évolué et diverses techniques de biodétection, y compris les méthodes électrochimiques 20, la chimiluminescence²¹ et le test immuno-enzymatique (ELISA)22,23,24, ont été mises en œuvre avec succès pour la détection de divers biomarqueurs tels que les protéines 25,26, l’ADN 27,28, les ARN ^29,30 et exosomes³¹. Malgré ces réalisations, les μPAD sont toujours confrontés à des défis, notamment des vitesses d’écoulement lentes et l’évaporation des solvants.

Plusieurs méthodes ont été proposées pour créer des microcanaux sur du nanopapier^32,33,34. Une approche consiste à imprimer en 3D des ingrédients sacrificiels dans le matériau, mais elle nécessite un revêtement hydrophobe qui limite le fonctionnement sans pompe³³. Une autre technique consiste à empiler manuellement des couches de canaux entre des feuilles de nanopapier à l’aide de colle, ce qui demande beaucoup de main-d’œuvre³². Alternativement, le revêtement par pulvérisation de fibres de nanocellulose sur des moules pré-modelés peut créer des microcanaux, mais cela implique une préparation de moule longue et coûteuse³⁴. Notamment, ces méthodes sont limitées aux microcanaux à l’échelle millimétrique, ce qui compromet les avantages des dispositifs microfluidiques en termes de consommation et d’intégration du volume de réactif. Le développement d’un procédé simple de structuration de microcanaux en nanopapier avec une résolution à l’échelle micrométrique reste un défi.

Cette étude présente une méthode unique de structuration de microcanaux en nanopapier basée sur le microgaufrage pratique. L’approche offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes existantes, car elle ne nécessite aucun équipement coûteux ou spécialisé, est simple, rentable et très précise. Un moule à microcanaux convexe est fabriqué par découpe laser d’un film de polytétrafluoroéthylène (PTFE), connu pour son inertie chimique et ses propriétés antiadhésives. Ce moule est ensuite utilisé pour gaufrer des microcanaux sur une membrane de gel de nanopapier. Une deuxième couche de gel de nanopapier est appliquée sur le dessus pour créer des canaux creux fermés. À l’aide de cette technique de structuration, des dispositifs microfluidiques fondamentaux sur nanopapier sont développés, y compris un mélangeur laminaire et un générateur de gouttelettes. De plus, la fabrication de NanoPAD de microscopie Raman améliorée en surface (SERS) est démontrée. La création in situ d’un substrat SERS à base de nanoparticules d’argent est obtenue en introduisant deux réactifs chimiques (AgNO₃ et NaBH₄) dans les canaux, ce qui permet d’obtenir des performances remarquables avec de faibles limites de détection (LODs).