Microestampado: un proceso conveniente para la fabricación de microcanales en microfluídica basada en papel de nanocelulosa

Recientemente, el papel de celulosa nanofibrilada (NFC) (nanopapel) ha surgido como un material de sustrato muy prometedor para diversas aplicaciones, como la electrónica flexible, los dispositivos energéticos y la biomedicina 1,2,3,4. Derivado de plantas naturales, el nanopapel es rentable, biocompatible y biodegradable, lo que lo convierte en una alternativa atractiva al papel de celulosa tradicional ^5,6. Sus propiedades excepcionales incluyen una superficie ultralisa con una rugosidad superficial inferior a 25 nm y una estructura de matriz de celulosa densa, lo que permite la creación de nanoestructuras altamente estructuradas⁷. Los abundantes grupos hidroxilo del nanopapel contribuyen a su estructura de nanocelulosa compacta y compacta⁸. El nanopapel presenta una excelente transparencia óptica y una neblina óptica mínima, lo que lo hace muy adecuado para sensores ópticos. Además, su hidrofilicidad inherente permite un flujo sin bombas, incluso con su estructura gruesa, proporcionando un movimiento autónomo del fluido ^9,10. La nanocelulosa tiene diversas aplicaciones en sensores biológicos, dispositivos electrónicos conductores, plataformas de cultivo celular, supercondensadores, baterías, entre otros, lo que demuestra su versatilidad y potencial^11,12. En particular, la nanocelulosa es prometedora para los dispositivos microfluídicos analíticos (μPAD) basados en papel, ya que ofrece ventajas únicas sobre el papel de cromatografía convencional.

En la última década, los μPADs han logrado una atención significativa debido a su asequibilidad, biocompatibilidad, funcionamiento sin bomba y facilidad de producción^13,14. Estos dispositivos se han convertido en herramientas diagnósticas eficaces en el punto de atención, especialmente en entornos de recursos limitados^15,16,17. Un avance significativo en este campo fue el desarrollo de la impresión en cera, iniciada por George Whitesides¹⁸ y el grupo Bingcheng Lin¹⁹, que permitió la creación de μPADs funcionales mediante la incorporación de microcanales en papel de cromatografía. Posteriormente, los μPADs evolucionaron rápidamente, y varias técnicas de biodetección, incluyendo los métodos electroquímicos 20, quimioluminiscencia²¹ y ensayo de inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA)22,23,24, se implementaron con éxito para la detección de diversos biomarcadores como las proteínas 25,26, los ADNs 27,28, los ARNs ^29,30 y los exosomas³¹. A pesar de estos logros, los μPAD aún enfrentan desafíos, incluidas las velocidades de flujo lentas y la evaporación del solvente.

Se han propuesto varios métodos para la creación de microcanales en nanopapel^32,33,34. Un enfoque implica la impresión 3D de ingredientes sacrificados en el material, pero requiere un recubrimiento hidrofóbico que limite el funcionamiento sin bomba³³. Otra técnica consiste en apilar manualmente capas de canal entre hojas de nanopapel utilizando pegamento, que requiere mucha mano de obra³². Alternativamente, el recubrimiento por pulverización de fibras de nanocelulosa en moldes premodelados puede crear microcanales, pero implica una preparación de moldes costosa y que requiere mucho tiempo³⁴. En particular, estos métodos se limitan a microcanales a escala milimétrica, lo que compromete las ventajas de los dispositivos microfluídicos en cuanto al consumo de volumen de reactivos y la integración. El desarrollo de un proceso simple de modelado de microcanales de nanopapel con resolución a escala micrométrica sigue siendo un desafío.

Este estudio presenta un método único de modelado de microcanales de nanopapel basado en el microrelieve práctico. El enfoque ofrece varias ventajas sobre los métodos existentes, ya que no requiere equipos costosos o especializados, es simple, rentable y altamente preciso. Un molde de microcanal convexo se fabrica cortando con láser una película de politetrafluoroetileno (PTFE), conocida por su inercia química y propiedades antiadherentes. Este molde se utiliza para estampar microcanales en una membrana de gel de nanopapel. Se aplica una segunda capa de gel de nanopapel en la parte superior para crear canales huecos cerrados. Utilizando esta técnica de modelado, se desarrollan dispositivos microfluídicos fundamentales en nanopapel, incluido un mezclador laminar y un generador de gotas. Además, se demuestra la fabricación de NanoPAD de microscopía Raman mejorada de superficie (SERS). La creación in situ de un sustrato SERS basado en nanopartículas de plata se logra mediante la introducción de dos reactivos químicos (AgNO₃ y NaBH₄) en los canales, lo que da como resultado un rendimiento notable con bajos límites de detección (LOD).