마이크로엠보싱: 나노셀룰로오스 종이 기반 미세유체역학에서 마이크로채널을 제작하기 위한 편리한 공정

최근 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC) 종이(나노페이퍼)는 플렉시블 전자, 에너지 소자, 바이오메디컬 1,2,3,4 등 다양한 응용 분야에서 매우 유망한 기판 소재로 부상하고 있습니다. 천연 식물에서 추출한 나노페이퍼는 비용 효율적이고 생체 적합성이 있으며 생분해성이 있어 기존 셀룰로오스 종이 ^5,6에 대한 매력적인 대안입니다. 그 탁월한 특성에는 표면 거칠기가 25nm 미만인 매우 매끄러운 표면과 조밀한 셀룰로오스 매트릭스 구조가 포함되어 있어 고도로 구조화된 나노 구조를 생성할 수 있습니다⁷. 나노 페이퍼의 풍부한 수산기 그룹은 조밀하고 조밀하게 포장 된 나노 셀룰로오스 구조⁸에 기여합니다. 나노페이퍼는 우수한 광학 투명성과 최소한의 광학 헤이즈를 나타내므로 광학 센서에 매우 적합합니다. 또한 고유한 친수성은 두꺼운 구조에서도 펌프가 필요 없는 흐름을 가능하게 하여 자율적인 유체 운동 ^9,10을 제공합니다. 나노셀룰로오스는 생물학적 센서, 전도성 전자 장치, 세포 배양 플랫폼, 슈퍼 커패시터, 배터리 등 다양한 응용 분야에 적용되어 다목적성과 잠재력을 보여줍니다^11,12. 특히, 나노셀룰로오스는 종이 기반 분석 미세유체 장치(μPAD)에 유망하며 기존 크로마토그래피 종이에 비해 고유한 이점을 제공합니다.

지난 10년 동안 μPAD는 경제성, 생체 적합성, 펌프가 필요 없는 작동 및 생산 용이성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다^13,14. 이러한 장치들은 특히 자원이 제한된 환경에서 효과적인 현장 진단 도구로 부상하고^{있다 15,16,17}. 이 분야의 중요한 발전은 George Whitesides(¹⁸)와 Bingcheng Lin 그룹⁽¹⁹)이 개척한 왁스 프린팅의 개발로, 크로마토그래피 종이에 마이크로채널을 통합하여 기능성 μPAD를 생성할 수 있게 되었습니다. 그 후, μPAD는 빠르게 발전하여 단백질 ^25,26, DNA^27,28, RNA ^29,30 및 엑소좀³¹. 이러한 성과에도 불구하고 μPAD는 느린 유속 및 용매 증발 등의 문제에 직면해 있습니다.

나노 페이퍼^32,33,34 상에 마이크로 채널을 생성하기위한 몇 가지 방법이 제안되었습니다. 한 가지 접근법은 희생 성분을 재료에 3D 프린팅하는 것을 포함하지만, 펌프가 필요 없는 작동을 제한하는 소수성 코팅을 필요로 한다(³³). 또 다른 기술은 접착제를 사용하여 나노 페이퍼 시트 사이에 채널 층을 수동으로 적층하는 것을 포함하는데, 이는 노동 집약적입니다³². 대안적으로, 나노셀룰로오스 섬유를 미리 패턴화된 몰드 상에 스프레이-코팅하는 것은 마이크로채널을 생성할 수 있지만, 이는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 몰드 제조를 수반한다⁽³⁴). 특히, 이러한 방법은 밀리미터 규모의 마이크로 채널로 제한되어 시약 부피 소비 및 통합과 관련된 미세 유체 장치의 이점을 손상시킵니다. 마이크로미터 단위의 분해능을 가진 간단한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 공정을 개발하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.

본 연구는 실용적인 마이크로엠보싱을 기반으로 한 독특한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 방법을 제시합니다. 이 접근 방식은 고가의 특수 장비가 필요하지 않고 간단하고 비용 효율적이며 매우 정확하기 때문에 기존 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 볼록 마이크로채널 금형은 화학적 불활성 및 비점착 특성으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름을 레이저 절단하여 제작됩니다. 그런 다음 이 금형을 사용하여 마이크로채널을 나노페이퍼 겔 멤브레인에 엠보싱합니다. 나노 페이퍼 겔의 두 번째 층을 맨 위에 도포하여 닫힌 중공 채널을 만듭니다. 이 패터닝 기술을 사용하여 층류 믹서 및 액적 발생기를 포함한 나노 페이퍼의 기본 미세 유체 장치가 개발됩니다. 또한 표면 강화 라만 현미경(SERS) NanoPAD의 제조가 시연됩니다. 은 나노 입자 기반 SERS 기판의 현장 생성은 두 개의 화학 시약(_AgNO3 및 NaBH₄)을 채널에 도입하여 낮은 검출 한계(LOD)로 놀라운 성능을 제공합니다.