Mikroprägung: Ein praktisches Verfahren zur Herstellung von Mikrokanälen auf Mikrofluidik auf Nanozellulosepapier

In jüngster Zeit hat sich nanofibrilliertes Zellulosepapier (NFC) (Nanopapier) als vielversprechendes Substratmaterial für verschiedene Anwendungen wie flexible Elektronik, Energiegeräte und biomedizinische Geräte herausgestellt 1,2,3,4. Nanopapier wird aus natürlichen Pflanzen gewonnen und ist kostengünstig, biokompatibel und biologisch abbaubar, was es zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichem Zellulosepapier macht ^5,6. Zu seinen außergewöhnlichen Eigenschaften gehören eine ultraglatte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 25 nm und eine dichte Zellulosematrixstruktur, die die Bildung hochstrukturierter Nanostrukturen ermöglicht⁷. Reichlich vorhandene Hydroxylgruppen von Nanopapier tragen zu seiner kompakten und dicht gepackten Nanozellulosestruktur^{bei 8}. Nanopapier weist eine hervorragende optische Transparenz und eine minimale optische Trübung auf und eignet sich daher gut für optische Sensoren. Darüber hinaus ermöglicht seine inhärente Hydrophilie einen pumpenfreien Durchfluss, selbst bei seiner dicken Struktur, und sorgt für eine autonome Flüssigkeitsbewegung ^9,10. Nanocellulose hat vielfältige Anwendungen in biologischen Sensoren, leitfähigen elektronischen Geräten, Zellkulturplattformen, Superkondensatoren, Batterien und vielem mehr und zeigt ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial^11,12. Insbesondere für papierbasierte analytische mikrofluidische Geräte (μPADs) ist Nanocellulose vielversprechend und bietet einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichem Chromatographiepapier.

In den letzten zehn Jahren haben μPADs aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Biokompatibilität, ihres pumpenfreien Betriebs und ihrer einfachen Herstellung große Aufmerksamkeit erlangt^13,14. Diese Geräte haben sich als effektive Point-of-Care-Diagnoseinstrumente erwiesen, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen^15,16,17. Ein bedeutender Fortschritt auf diesem Gebiet war die Entwicklung des Wachsdrucks, der von George Whitesides¹⁸ und der Bingcheng Lin-Gruppe¹⁹ vorangetrieben wurde und die Herstellung funktioneller μPADs durch die Einarbeitung von Mikrokanälen auf Chromatographiepapier ermöglichte. In der Folge entwickelten sich μPADs schnell weiter, und verschiedene Biosensortechniken, einschließlich elektrochemischer Methoden 20, Chemilumineszenz 21 und Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA)22,23,24, wurden erfolgreich für den Nachweis verschiedener Biomarker wie Proteine 25,26, DNAs 27,28, RNAs ^29,30 und Exosomen³¹. Trotz dieser Errungenschaften stehen μPADs immer noch vor Herausforderungen, darunter langsame Flussgeschwindigkeiten und Lösungsmittelverdunstung.

Es wurden mehrere Methoden zur Erzeugung von Mikrokanälen auf Nanopapier^{vorgeschlagen 32,33,34}. Ein Ansatz besteht darin, Opferbestandteile in 3D in das Material zu drucken, erfordert jedoch eine hydrophobe Beschichtung, die den pumpenfreien Betrieb einschränkt³³. Eine andere Technik besteht darin, Kanalschichten zwischen Nanopapierbögen manuell mit Klebstoff zu stapeln, was arbeitsintensiv ist³². Alternativ kann das Aufsprühen von Nanozellulosefasern auf vorstrukturierte Formen Mikrokanäle erzeugen, erfordert jedoch eine zeitaufwändige und teure Formvorbereitung³⁴. Insbesondere sind diese Methoden auf Mikrokanäle im Millimeterbereich beschränkt, was die Vorteile von mikrofluidischen Geräten in Bezug auf den Verbrauch und die Integration von Reagenzien beeinträchtigt. Die Entwicklung eines einfachen Mikrokanalstrukturierungsprozesses aus Nanopapier mit einer Auflösung im Mikrometerbereich bleibt eine Herausforderung.

In dieser Studie wird eine einzigartige Methode zur Strukturierung von Mikrokanälen aus Nanopapier vorgestellt, die auf praktischer Mikroprägung basiert. Der Ansatz bietet mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Methoden, da er keine teure oder spezialisierte Ausrüstung erfordert, einfach, kostengünstig und hochgenau ist. Eine konvexe Mikrokanalform wird durch Laserschneiden einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Folie hergestellt, die für ihre chemische Trägheit und Antihafteigenschaften bekannt ist. Diese Form wird dann verwendet, um Mikrokanäle auf eine Nanopapier-Gelmembran zu prägen. Eine zweite Schicht Nanopapiergel wird darauf aufgetragen, um geschlossene Hohlkanäle zu schaffen. Mit dieser Strukturierungstechnik werden grundlegende mikrofluidische Bauelemente auf Nanopapier entwickelt, darunter ein laminarer Mischer und ein Tröpfchengenerator. Darüber hinaus wird die Herstellung von oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie (SERS) NanoPADs demonstriert. Die In-situ-Herstellung eines auf Silbernanopartikeln basierenden SERS-Substrats wird durch das Einbringen von zwei chemischen Reagenzien (AgNO₃ und NaBH₄) in die Kanäle erreicht, was zu einer bemerkenswerten Leistung bei niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) führt.