Mikropreging: En praktisk prosess for fremstilling av mikrokanaler på nanocellulosepapirbasert mikrofluidikk

Nylig har nanofibrillert cellulose (NFC) papir (nanopapir) dukket opp som et svært lovende substratmateriale for ulike applikasjoner som fleksibel elektronikk, energienheter og biomedisiner 1,2,3,4. Avledet fra naturlige planter, er nanopapir kostnadseffektivt, biokompatibelt og biologisk nedbrytbart, noe som gjør det til et tiltalende alternativ til tradisjonelt cellulosepapir ^5,6. Dens eksepsjonelle egenskaper inkluderer en ultraglatt overflate med en overflateruhet på mindre enn 25 nm og en tett cellulosematrisestruktur, noe som gjør det mulig å skape svært strukturerte nanostrukturer⁷. Rikelig hydroksylgrupper av nanopapir bidrar til den kompakte og tettpakkede nanocellulosestrukturen⁸. Nanopaper utviser utmerket optisk gjennomsiktighet og minimal optisk tåke, noe som gjør den godt egnet for optiske sensorer. I tillegg muliggjør dens iboende hydrofilitet pumpefri strømning, selv med sin tykke struktur, noe som gir autonom væskebevegelse ^9,10. Nanocellulose har ulike applikasjoner i biologiske sensorer, ledende elektroniske enheter, cellekulturplattformer, superkondensatorer, batterier og mer, og viser sin allsidighet og potensial^11,12. Spesielt er nanocellulose lovende for papirbaserte analytiske mikrofluidiske enheter (μPAD), og gir unike fordeler i forhold til konvensjonelt kromatografipapir.

I løpet av det siste tiåret har μPAD-er oppnådd betydelig oppmerksomhet på grunn av overkommelig pris, biokompatibilitet, pumpefri drift og enkel produksjon^13,14. Disse enhetene har dukket opp som effektive pasientnære diagnostiske verktøy, spesielt i ressursbegrensede innstillinger^15,16,17. Et betydelig fremskritt på dette feltet var utviklingen av vokstrykk, banebrytende av George Whitesides¹⁸ og Bingcheng Lin-gruppen¹⁹, som muliggjorde opprettelsen av funksjonelle μPAD-er ved å inkorporere mikrokanaler på kromatografipapir. Deretter utviklet μPADs seg raskt, og forskjellige biosensingsteknikker, inkludert elektrokjemiske metoder 20, kjemiluminescens 21 og enzymbundet immunosorbentanalyse (ELISA) 22,23,24, ble vellykket implementert for påvisning av forskjellige biomarkører som proteiner 25,26, DNA 27,28, RNA ^29,30 og eksosomer³¹. Til tross for disse prestasjonene står μPAD-er fortsatt overfor utfordringer, inkludert langsomme strømningshastigheter og løsemiddelfordampning.

Det er foreslått flere metoder for å lage mikrokanaler på nanopapir^32,33,34. En tilnærming innebærer 3D-utskrift av offeringredienser i materialet, men det krever et hydrofobt belegg som begrenser pumpefri drift³³. En annen teknikk innebærer manuell stabling av kanallag mellom nanopapirark ved hjelp av lim, som er arbeidskrevende³². Alternativt kan spraybelegg av nanocellulosefibre på forhåndsmønstrede former skape mikrokanaler, men det innebærer tidkrevende og kostbar formforberedelse³⁴. Spesielt er disse metodene begrenset til mikrokanaler i millimeterskala, noe som kompromitterer fordelene med mikrofluidiske enheter angående reagensvolumforbruk og integrasjon. Å utvikle en enkel nanopapir mikrokanal mønsterprosess med mikrometer-skala oppløsning er fortsatt en utfordring.

Denne studien presenterer en unik nanopaper mikrokanal mønstermetode basert på praktisk mikropreging. Tilnærmingen gir flere fordeler i forhold til eksisterende metoder, da den ikke krever dyrt eller spesialisert utstyr, er enkel, kostnadseffektiv og svært nøyaktig. En konveks mikrokanalform fremstilles ved laserskjæring av en polytetrafluoretylen (PTFE) film, kjent for sin kjemiske inertitet og nonstick-egenskaper. Denne formen brukes deretter til å prege mikrokanaler på en nanopapirgelmembran. Et andre lag med nanopapirgel påføres på toppen for å lage lukkede hule kanaler. Ved hjelp av denne mønsterteknikken utvikles grunnleggende mikrofluidiske enheter på nanopapir, inkludert en laminær mikser og dråpegenerator. I tillegg er fabrikasjon av overflateforsterket Raman-mikroskopi (SERS) NanoPADs demonstrert. In-situ opprettelse av et sølvnanopartikkelbasert SERS-substrat oppnås ved å introdusere to kjemiske reagenser (AgNO₃ og NaBH₄) i kanalene, noe som resulterer i en bemerkelsesverdig ytelse med lave deteksjonsgrenser (LOD).