Микротиснение: удобный процесс изготовления микроканалов на наноцеллюлозной бумажной микрофлюидике
Summary
Этот протокол описывает простой процесс, в котором используются удобные пластиковые микроформы для простых операций микротиснения для изготовления микроканалов на нанофибриллированной целлюлозной бумаге с минимальной шириной 200 мкм.
Abstract
Нанобумага, полученная из нанофибриллированной целлюлозы, вызвала значительный интерес в качестве перспективного материала для микрофлюидных применений. Его привлекательность заключается в ряде превосходных качеств, включая исключительно гладкую поверхность, выдающуюся оптическую прозрачность, однородную матрицу из нановолокна с наноразмерной пористостью и настраиваемые химические свойства. Несмотря на быстрый рост микрофлюидики на основе нанобумаги, современные методы, используемые для создания микроканалов на нанобумаге, такие как 3D-печать, нанесение покрытий распылением или ручная резка и сборка, которые имеют решающее значение для практического применения, по-прежнему имеют определенные ограничения, в частности, восприимчивость к загрязнению. Кроме того, эти методы ограничены производством каналов миллиметрового размера. В этом исследовании представлен простой процесс, в котором используются удобные пластиковые микроформы для простых операций микротиснения для изготовления микроканалов на нанобумаге, достигая минимальной ширины 200 мкм. Разработанный микроканал превосходит существующие подходы, достигая четырехкратного улучшения, и может быть изготовлен в течение 45 минут. Кроме того, были оптимизированы параметры изготовления, а для разработчиков приложений предусмотрена удобная справочная таблица. Было продемонстрировано доказательство концепции ламинарного смесителя, генератора капель и функциональных аналитических устройств на основе нанобумаги (NanoPAD), предназначенных для зондирования родамина B с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света с поверхностным усилением. Примечательно, что нанопланшеты продемонстрировали исключительную производительность с улучшенными пределами обнаружения. Эти выдающиеся результаты можно объяснить превосходными оптическими свойствами нанобумаги и недавно разработанным точным методом микротиснения, позволяющим интегрировать и тонко настраивать нанопланшеты.
Introduction
В последнее время бумага (нанобумага) из нанофибриллированной целлюлозы (NFC) стала очень перспективным материалом-подложкой для различных применений, таких как гибкая электроника, энергетические устройства и биомедицина 1,2,3,4. Нанобумага, полученная из натуральных растений, является экономичной, биосовместимой и биоразлагаемой, что делает ее привлекательной альтернативой традиционной целлюлозной бумаге 5,6. К его исключительным свойствам относятся сверхгладкая поверхность с шероховатостью поверхности менее 25 нм и плотная целлюлозная матричная структура, позволяющая создавать высокоструктурированные наноструктуры7. Большое количество гидроксильных групп нанобумаги способствует ее компактной и плотно упакованной наноцеллюлозной структуре8. Нанобумага обладает превосходной оптической прозрачностью и минимальной оптической дымкой, что делает ее хорошо подходящей для оптических датчиков. Кроме того, присущая ему гидрофильность обеспечивает поток без насоса, даже несмотря на его толстую структуру, обеспечивая автономное движение жидкости 9,10. Наноцеллюлоза имеет разнообразное применение в биологических сенсорах, проводящих электронных устройствах, платформах для клеточных культур, суперконденсаторах, батареях и многом другом, демонстрируя свою универсальность и потенциал11,12. В частности, наноцеллюлоза перспективна для бумажных аналитических микрофлюидных устройств (μPAD), предлагая уникальные преимущества по сравнению с обычной хроматографической бумагой.
В последнее десятилетие μPAD привлекли значительное внимание благодаря своей доступности, биосовместимости, работе без насоса и простоте производства13,14. Эти устройства стали эффективными диагностическими инструментами в местах оказания медицинской помощи, особенно в условиях ограниченных ресурсов15,16,17. Значительным шагом вперед в этой области стало развитие восковой печати, впервые предложенной Джорджем Уайтсайдсом18 и группой БинчэнЛинь 19, что позволило создавать функциональные μPA путем включения микроканалов на хроматографическую бумагу. Впоследствии μPAD быстро эволюционировали, и для обнаружения различных биомаркеров, таких как белки 25,26, ДНК 27,28, РНК 29,30 и иммуноферментный анализ (ИФА)22,23,24, были успешно внедрены различные биосенсорные методы, включая электрохимические методы 20, хемилюминесценцию 21 и иммуноферментный анализ (ИФА)22,23,24 экзосомы31. Несмотря на эти достижения, μPAD по-прежнему сталкиваются с проблемами, включая низкую скорость потока и испарение растворителя.
Предложено несколько методов создания микроканалов на нанобумаге32,33,34. Один из подходов включает в себя 3D-печать жертвенных ингредиентов в материале, но для этого требуется гидрофобное покрытие, которое ограничивает работу без насоса33. Другой метод предполагает ручную укладку слоев каналов между листами нанобумаги с помощью клея, что является трудоемким32. В качестве альтернативы, нанесение наноцеллюлозных волокон методом распыления на предварительно подготовленные формы может создать микроканалы, но это требует трудоемкой и дорогостоящей подготовки пресс-формы34. Примечательно, что эти методы ограничены микроканалами миллиметрового масштаба, что ставит под угрозу преимущества микрофлюидных устройств с точки зрения объемного расхода реагентов и интеграции. Разработка простого процесса создания микроканальных рисунков из нанобумаги с разрешением микрометра остается сложной задачей.
В данной работе представлен уникальный метод микроканального рисунка на основе нанобумаги, основанный на практическом микротиснении. Этот подход имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими методами, так как не требует дорогостоящего или специализированного оборудования, прост, экономичен и высокоточен. Выпуклая микроканальная форма изготавливается путем лазерной резки пленки из политетрафторэтилена (ПТФЭ), известной своей химической инертностью и антипригарными свойствами. Затем эта форма используется для тиснения микроканалов на гелевой мембране из нанобумаги. Сверху наносится второй слой геля нанобумаги для создания закрытых полых каналов. Используя эту технику паттернирования, разрабатываются фундаментальные микрофлюидные устройства на нанобумаге, в том числе ламинарный смеситель и генератор капель. Кроме того, демонстрируется изготовление нанопланшетов NanoPAD для комбинационной микроскопии (SERS) с поверхностным усилением. Создание на месте подложки SERS на основе наночастиц серебра достигается путем введения в каналы двух химических реагентов (AgNO3 и NaBH4), что приводит к выдающимся характеристикам при низких пределах обнаружения (LOD).
Protocol
Representative Results
Discussion
Основное внимание в данном исследовании уделяется разработке простого метода изготовления микроканалов на нанобумаге. Для решения этой задачи была разработана эффективная технология тиснения с использованием ПТФЭ в качестве пресс-формы12. Оптимизировав температуру и да…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают признательность за финансовую поддержку со стороны программ Фонда естественных наук Высшего образования провинции Цзянсу (22KJB460033) и Программы по науке и технологиям провинции Цзянсу «Молодой ученый» (BK20200251). Эта работа также частично поддерживается Университетским исследовательским центром искусственного интеллекта XJTLU, Инженерно-исследовательским центром науки о данных и когнитивных вычислений провинции Цзянсу при XJTLU и инновационной платформой SIP AI (YZCXPT2022103). Также выражается признательность за поддержку со стороны Государственной ключевой лаборатории инженерии производственных систем в рамках открытого проекта (SKLMS2023019) и Ключевой лаборатории бионической инженерии при Министерстве образования.
Materials
| AgNO3 | Hushi (Shanghai, China) | 7761-88-8 | >99% |
| Ethanol | Hushi (Shanghai, China) | 64-17-5 | >99% |
| Hexadecane | Macklin (Shanghai, China) | 544-76-3 | >99% |
| LabSpec software | Horiba (Japan) | LabSpec5 | |
| Melamine | Macklin (Shanghai, China) | 108-78-1 | >99% |
| NaBH4 | Aladdin (Shanghai, China) | 16940-66-2 | >99% |
| Origin lab software | OriginLab (USA) | ||
| Polyethylene terephthalate (PET) | Myers Industries (Akron, USA) | ||
| Polytetrafluoroethylene films | Shenzhen Huashenglong plastic material Co., Ltd. (Shenzhen, China) | Teflon film | |
| PVDF filter membrane | EMD Millipore Corporation (USA) | VVLP04700 | pore size: 0.1 μm |
| Raman spectrometer | Horiba (Japan) | Xplo RA | |
| Rhodamine B | Macklin (Shanghai, China) | 81-88-9 | >95% |
| Scanning electron microscopy (SEM) | FEI(USA) | Scios 2 HiVac | |
| Silicon wafer | Horiba (Japan) | diameter: 5 mm | |
| TEMPO-oxidized NFC slurry | Tianjin University of Science and Technology | 1.0 wt% solid, carboxylate level 2.0 mmol/g solid, average nanofiber diameter: 10 nm |
References
- Zhu, H., Fang, Z., Preston, C., Li, Y., Hu, L. Transparent paper: fabrications, properties, and device applications. Energy & Environmental Science. 7 (1), 269-287 (2013).
- Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Materials. 21 (16), 1595-1598 (2009).
- Li, X., et al. Three-dimensional sulfated bacterial cellulose/gelatin composite scaffolds for culturing hepatocytes. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0021 (2023).
- Barhoum, A., Samyn, P., Öhlund, T., Dufresne, A. Review of recent research on flexible multifunctional nanopapers. Nanoscale. 9 (40), 15181-15205 (2017).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Martin-Martinez, F. J. Designing nanocellulose materials from the molecular scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (28), 7174-7175 (2018).
- Sehaqui, H., Liu, A., Zhou, Q., Berglund, L. A. Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose/inorganic nanopaper structures. Biomacromolecules. 11 (9), 2195-2198 (2010).
- Fang, Z., et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells. Nano Letters. 14 (2), 765-773 (2014).
- Zheng, G., et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices. MRS Bulletin. 38 (4), 320-325 (2013).
- Chen, L., Ying, B., Song, P., Liu, X. A nanocellulose-paper-based sers multiwell plate with high sensitivity and high signal homogeneity. Advanced Materials Interfaces. 6 (24), 1901346 (2019).
- Koga, H., et al. Transparent, conductive, and printable composites consisting of tempo-oxidized nanocellulose and carbon nanotube. Biomacromolecules. 14 (4), 1160-1165 (2013).
- Yuan, W., et al. Facile microembossing process for microchannel fabrication for nanocellulose-paper-based microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (5), 6420-6430 (2023).
- Rolland, J. P., Mourey, D. A. Paper as a novel material platform for devices. MRS Bulletin. 38 (4), 299-305 (2013).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Butte, M. J., Whitesides, G. M. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angewandte Chemie International Edition. 46 (8), 1318-1320 (2007).
- Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Lab-on-a-chip devices for global health: past studies and future opportunities. Lab on a Chip. 7 (1), 41-57 (2006).
- Chin, C. D., et al. Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world. Nature Medicine. 17 (8), 1015-1019 (2011).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M., Carrilho, E. Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Analytical Chemistry. 82 (1), 3-10 (2010).
- Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81 (16), 7091-7095 (2009).
- Lu, Y., Shi, W., Qin, J., Lin, B. Fabrication and characterization of paper-based microfluidics prepared in nitrocellulose membrane by wax printing. Analytical Chemistry. 82 (1), 329-335 (2010).
- Li, X., Zhao, C., Liu, X. A paper-based microfluidic biosensor integrating zinc oxide nanowires for electrochemical glucose detection. Microsystems & Nanoengineering. 1 (1), 1-7 (2015).
- Nie, Z., et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 10 (4), 477-483 (2010).
- Cai, T., et al. A paper-based microfluidic analytical device with a highly integrated on-chip valve for autonomous ELISA. 2022 IEEE 35th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems Conference (MEMS). , 271-274 (2022).
- Murdock, R. C., et al. Optimization of a paper-based ELISA for a human performance biomarker). Analytical Chemistry. 85 (23), 11634-11642 (2013).
- Cheng, C. M., et al. Paper-based ELISA. Angewandte Chemie. 122 (28), 4881-4884 (2010).
- Holstein, C. A., et al. Immobilizing affinity proteins to nitrocellulose: a toolbox for paper-based assay developers. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (5), 1335-1346 (2016).
- Tenda, K., et al. Paper-based antibody detection devices using bioluminescent bret-switching sensor proteins. Angewandte Chemie International Edition. 57 (47), 15369-15373 (2018).
- Gong, M. M., Nosrati, R., San Gabriel, M. C., Zini, A., Sinton, D. Direct DNA Analysis with paper-based ion concentration polarization. Journal of the American Chemical Society. 137 (43), 13913-13919 (2015).
- Gan, W., et al. A filter paper-based microdevice for low-cost, rapid, and automated DNA extraction and amplification from diverse sample types. Lab on a Chip. 14 (19), 3719-3728 (2014).
- Liu, Y., et al. Fluorescent paper-based analytical devices for ultra-sensitive dual-type RNA detections and accurate gastric cancer screening. Biosensors and Bioelectronics. 197, 113781 (2022).
- Yuan, H., et al. Microfluidic-assisted Caenorhabditis elegans sorting: current status and future prospects. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0011 (2023).
- Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
- Ying, B., et al. NanoPADs and nanoFACEs: an optically transparent nanopaper-based device for biomedical applications. Lab on a Chip. 20 (18), 3322-3333 (2020).
- Shin, S., Hyun, J. Matrix-assisted three-dimensional printing of cellulose nanofibers for paper microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 26438-26446 (2017).
- Browne, C., Garnier, G., Batchelor, W. Moulding of micropatterned nanocellulose films and their application in fluid handling. Journal of Colloid and Interface Science. 587, 162-172 (2021).
- Paul, R., et al. Shear stress related blood damage in laminar couette flow. Artificial Organs. 27 (6), 517-529 (2003).
- Thuo, M. M., et al. Fabrication of low-cost paper-based microfluidic devices by embossing or cut-and-stack methods. Chemistry of Materials. 26 (14), 4230-4237 (2014).
- Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up. Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).
- Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Droplet formation in a microchannel network. Lab on a Chip. 2 (1), 24-26 (2002).
- Wang, Y., Zhang, X., Wen, G., Liang, A., Jiang, Z. Facile synthesis of a highly SERS active nanosilver sol using microwaves and its application in the detection of E. coli using Victoria blue B as a molecular probe. Analytical Methods. 8 (24), 4881-4887 (2016).
- Pham, T. T. H., Dien, N. D., Vu, X. H. Facile synthesis of silver/gold alloy nanoparticles for ultra-sensitive rhodamine B detection. RSC Advances. 11 (35), 21475-21488 (2021).
- Li, D., Li, D. W., Li, Y., Fossey, J. S., Long, Y. T. Cyclic electroplating and stripping of silver on Au@SiO2 core/shell nanoparticles for sensitive and recyclable substrate of surface-enhanced Raman scattering. Journal of Materials Chemistry. 20 (18), 3688-3693 (2010).
- Sun, C. H., Wang, M. L., Feng, Q., Liu, W., Xu, C. X. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) study on Rhodamine B adsorbed on different substrates. Russian Journal of Physical Chemistry A. 89 (2), 291-296 (2015).
