מיקרו-הבלטה: תהליך נוח לייצור מיקרו-ערוצים על מיקרופלואידיקה מבוססת נייר ננוצלולוז
Summary
פרוטוקול זה מתאר תהליך פשוט המשתמש במיקרו-תבניות פלסטיק נוחות לפעולות מיקרו-הבלטה פשוטות לייצור מיקרו-ערוצים על נייר תאית ננו-פיברילציה, להשגת רוחב מינימלי של 200 מיקרומטר.
Abstract
ננו-נייר, המופק מתאית ננו-פיברילציה, עורר עניין רב כחומר מבטיח ליישומים מיקרופלואידים. המשיכה שלו טמונה במגוון תכונות מצוינות, כולל משטח חלק במיוחד, שקיפות אופטית יוצאת דופן, מטריצת ננו-סיבים אחידה עם נקבוביות ננומטרית ותכונות כימיות הניתנות להתאמה אישית. למרות הצמיחה המהירה של מיקרופלואידיקה מבוססת ננו-נייר, הטכניקות הנוכחיות המשמשות ליצירת מיקרו-ערוצים על ננו-נייר, כגון הדפסה תלת-ממדית, ציפוי ריסוס או חיתוך והרכבה ידניים, שהן חיוניות ליישומים מעשיים, עדיין בעלות מגבלות מסוימות, בעיקר רגישות לזיהום. יתר על כן, שיטות אלה מוגבלות לייצור ערוצים בגודל מילימטרי. מחקר זה מציג תהליך פשוט המשתמש במיקרו-תבניות פלסטיק נוחות לפעולות מיקרו-הבלטה פשוטות כדי לייצר מיקרו-ערוצים על ננו-נייר, ולהשיג רוחב מינימלי של 200 מיקרומטר. המיקרו-ערוץ שפותח עולה בביצועיו על גישות קיימות, ומשיג שיפור של פי ארבעה, וניתן לייצר אותו תוך 45 דקות. יתר על כן, פרמטרי הייצור עברו אופטימיזציה, וטבלת עיון מהירה נוחה מסופקת עבור מפתחי יישומים. הודגמה הוכחת היתכנות עבור מערבל למינרי, מחולל טיפות והתקנים אנליטיים פונקציונליים מבוססי ננו-נייר (NanoPADs) המיועדים לחישת רודאמין B באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת בפני השטח. ראוי לציין כי ה- NanoPADs הציגו ביצועים יוצאי דופן עם מגבלות זיהוי משופרות. ניתן לייחס תוצאות יוצאות דופן אלה לתכונות האופטיות המעולות של ננו-נייר ולשיטת המיקרו-הבלטה המדויקת שפותחה לאחרונה, המאפשרת אינטגרציה וכוונון עדין של ה-NanoPADs.
Introduction
לאחרונה, נייר תאית ננו-פיברילציה (NFC) (ננו-נייר) התגלה כחומר מצע מבטיח ביותר עבור יישומים שונים כגון אלקטרוניקה גמישה, התקני אנרגיה וביו-רפואיים 1,2,3,4. ננו-נייר, המופק מצמחים טבעיים, הוא חסכוני, תואם ביולוגית ומתכלה, מה שהופך אותו לחלופה מושכת לנייר תאית מסורתי 5,6. תכונותיו יוצאות הדופן כוללות משטח חלק במיוחד עם חספוס פני שטח של פחות מ-25 ננומטר ומבנה מטריצת תאית צפופה, המאפשר יצירת ננו-מבנים בעלי מבנה גבוה7. קבוצות הידרוקסיל שופעות של ננו-נייר תורמות למבנה הננוצלולוז הקומפקטי והצפוף שלו8. ננו-נייר מציג שקיפות אופטית מעולה ואובך אופטי מינימלי, מה שהופך אותו מתאים היטב לחיישנים אופטיים. בנוסף, ההידרופיליות הטבועה בו מאפשרת זרימה ללא משאבה, אפילו עם המבנה העבה שלו, ומספקת תנועת נוזל אוטונומית 9,10. לננוצלולוז יישומים מגוונים בחיישנים ביולוגיים, התקנים אלקטרוניים מוליכים, פלטפורמות תרביות תאים, קבלי-על, סוללות ועוד, ומציג את הרבגוניות והפוטנציאל שלו11,12. בפרט, ננוצלולוז מבטיח עבור התקנים מיקרופלואידים אנליטיים מבוססי נייר (μPADs), ומציע יתרונות ייחודיים על פני נייר כרומטוגרפיה קונבנציונאלי.
בעשור האחרון, μPADs השיגו תשומת לב משמעותית בשל המחיר הזול שלהם, תאימות ביולוגית, פעולה ללא משאבה, וקלות הייצור 13,14. מכשירים אלה התגלו ככלי אבחון יעיל של נקודת טיפול, במיוחד בהגדרות מוגבלות במשאבים15,16,17. התקדמות משמעותית בתחום זה הייתה פיתוח הדפסת שעווה, שפותחה על ידי ג’ורג’ וייטסיידס18 וקבוצת בינגצ’נג לין19, שאפשרה יצירת μPADs פונקציונליים על ידי שילוב מיקרו-ערוצים על נייר כרומטוגרפי. לאחר מכן, μPADs התפתחו במהירות, וטכניקות ביו-חישה שונות, כולל שיטות אלקטרוכימיות 20, כימילומינסנציה 21, ובדיקת אימונוסורבנט מקושרת אנזימים (ELISA)22,23,24, יושמו בהצלחה לזיהוי סמנים ביולוגיים מגוונים כגון חלבונים 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30, ו אקסוזומים31. למרות הישגים אלה, μPADs עדיין מתמודדים עם אתגרים, כולל מהירויות זרימה איטיות ואידוי ממס.
מספר שיטות הוצעו ליצירת מיקרו-ערוצים על ננו-נייר32,33,34. גישה אחת כוללת הדפסה תלת ממדית של מרכיבים המקריבים לתוך החומר, אך היא דורשת ציפוי הידרופובי המגביל את פעולתו ללא משאבה33. טכניקה נוספת כוללת ערימה ידנית של שכבות תעלה בין יריעות ננו-נייר באמצעות דבק, שהוא עתיר עבודה32. לחלופין, ציפוי סיבי ננוצלולוז בהתזה על תבניות מעוצבות מראש יכול ליצור מיקרו-ערוצים, אך הוא כרוך בהכנת עובש יקרה וגוזלת זמן34. יש לציין כי שיטות אלה מוגבלות למיקרו-ערוצים בקנה מידה מילימטרי, מה שפוגע ביתרונות של התקנים מיקרופלואידים בכל הנוגע לצריכת נפח ריאגנטים ואינטגרציה. פיתוח תהליך פשוט של תבניות מיקרו-ערוצים ננו-נייר ברזולוציה בקנה מידה מיקרומטרי נותר אתגר.
מחקר זה מציג שיטת דפוס מיקרו-ערוצית ייחודית של ננו-נייר המבוססת על מיקרו-הבלטה מעשית. הגישה מציעה מספר יתרונות על פני השיטות הקיימות, שכן היא אינה דורשת ציוד יקר או מיוחד, היא פשוטה, חסכונית ומדויקת ביותר. תבנית מיקרו-ערוצית קמורה מיוצרת על ידי חיתוך בלייזר של סרט פוליטטרה-פלואוראתילן (PTFE), הידוע באינרציה הכימית שלו ובתכונות הנון-סטיק שלו. תבנית זו משמשת לאחר מכן להבלטת מיקרו-ערוצים על קרום ג’ל ננו-נייר. שכבה שנייה של ג’ל ננו-נייר נמרחת על גבי כדי ליצור תעלות חלולות סגורות. באמצעות טכניקת דפוס זו, מפתחים התקנים מיקרופלואידים בסיסיים על ננו-נייר, כולל מערבל למינרי ומחולל טיפות. בנוסף, מודגם ייצור של מיקרוסקופ ראמאן משופר בפני השטח (SERS) NanoPADs. יצירה באתרו של מצע SERS מבוסס ננו-חלקיקי כסף מושגת על ידי החדרת שני ריאגנטים כימיים (AgNO3 ו- NaBH4) לתעלות, וכתוצאה מכך ביצועים יוצאי דופן עם גבולות גילוי נמוכים (LODs).
Protocol
Representative Results
Discussion
המוקד העיקרי של מחקר זה הוא לפתח שיטה פשוטה לייצור מיקרו-ערוצים על ננו-נייר. טכניקת הבלטה יעילה פותחה תוך שימוש ב-PTFE כתבנית להתמודדות עם אתגר זה12. על ידי אופטימיזציה של הטמפרטורה ולחץ ההבלטה, נערכה סדרה של ניסויים כדי לבסס תהליך ייצור אמין עבור NanoPADs. בנוסף, הודגם שימוש בטבלת יי?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים על התמיכה הכספית מהתוכניות של הקרן למדעי הטבע של ג’יאנגסו להשכלה גבוהה (22KJB460033), ותוכנית המדע והטכנולוגיה של ג’יאנגסו – חוקר צעיר (BK20200251). עבודה זו נתמכת חלקית גם על ידי מרכז המחקר של אוניברסיטת XJTLU AI, מרכז המחקר ההנדסי של מחוז ג’יאנגסו למדעי הנתונים והחישוב הקוגניטיבי ב- XJTLU ופלטפורמת החדשנות SIP AI (YZCXPT2022103). התמיכה של מעבדת המפתח הממלכתית להנדסת מערכות ייצור באמצעות הפרויקט הפתוח (SKLMS2023019) ומעבדת המפתח להנדסה ביונית, משרד החינוך, מוכרת גם היא.
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).
