マイクロエンボス加工:ナノセルロース紙ベースのマイクロ流体工学でマイクロ流路を作製するための便利なプロセス
Summary
このプロトコルは、200μmの最小幅を達成する、ナノフィブリル化セルロース紙にマイクロチャネルを製造するために、簡単なマイクロエンボス加工操作に便利なプラスチックマイクロモールドを利用する簡単なプロセスについて説明します。
Abstract
ナノフィブリル化セルロースに由来するナノペーパーは、マイクロ流体用途の有望な材料として大きな関心を集めています。その魅力は、非常に滑らかな表面、優れた光透過性、ナノスケールの多孔性を持つ均一なナノファイバーマトリックス、カスタマイズ可能な化学的特性など、さまざまな優れた品質にあります。ナノペーパーベースのマイクロ流体工学が急速に成長しているにもかかわらず、3Dプリンティング、スプレーコーティング、手作業による切断や組み立てなど、ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するために使用される現在の技術は、実用化に不可欠であり、特に汚染に対する感受性など、特定の制限がまだあります。さらに、これらの方法はミリメートルサイズのチャネルの製造に限定されています。本研究では、簡便なマイクロエンボス加工に便利なプラスチックマイクロモールドを用いて、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製し、最小幅200μmを実現する簡便なプロセスを紹介します。開発したマイクロ流路は、既存のアプローチを凌駕し、4倍の改善を達成し、45分以内に製造することができます。さらに、製造パラメータが最適化され、アプリケーション開発者に便利なクイックリファレンステーブルが提供されています。表面増強ラマン分光法を用いたローダミンBセンシング用に設計された層流ミキサー、液滴発生器、機能性ナノペーパーベースの分析デバイス(NanoPAD)の概念実証が行われました。特に、NanoPADは検出限界が改善され、並外れた性能を示しました。これらの優れた結果は、ナノペーパーの優れた光学特性と、最近開発された高精度のマイクロエンボス法に起因しており、ナノパッドの集積化と微調整を可能にしています。
Introduction
近年、ナノフィブリル化セルロース(NFC)紙(ナノペーパー)は、フレキシブルエレクトロニクス、エネルギーデバイス、バイオメディカルなどのさまざまな用途で非常に有望な基板材料として浮上しています1,2,3,4。天然植物由来のナノペーパーは、費用対効果が高く、生体適合性があり、生分解性があり、従来のセルロース紙の魅力的な代替品となっています5,6。その優れた特性には、表面粗さが25nm未満の超平滑な表面と緻密なセルロースマトリックス構造が含まれ、高度に構造化されたナノ構造の作成を可能にします7。ナノペーパーの豊富なヒドロキシル基は、そのコンパクトで密集したナノセルロース構造に寄与しています8。ナノペーパーは、優れた光学的透明性と最小限の光学的ヘイズを示すため、光学センサーに適しています。さらに、その固有の親水性は、その厚い構造でもポンプフリーの流れを可能にし、自律的な流体運動を提供します9,10。ナノセルロースは、生体センサー、導電性電子デバイス、細胞培養プラットフォーム、スーパーキャパシタ、バッテリーなどに多様な用途があり、その汎用性と可能性を示しています11,12。特に、ナノセルロースは紙ベースの分析用マイクロ流体デバイス(μPAD)に有望であり、従来のクロマトグラフィー紙に比べて独自の利点があります。
過去10年間で、μPADは、その手頃な価格、生体適合性、ポンプフリー操作、および製造の容易さにより、大きな注目を集めてきました13,14。これらのデバイスは、特にリソースが限られている設定で、効果的なポイントオブケア診断ツールとして登場しました15、16、17。この分野での重要な進歩は、George Whitesides18 と Bingcheng Lin グループ19 によって開拓されたワックス印刷の開発であり、クロマトグラフィー用紙にマイクロチャネルを組み込むことで機能的な μPAD の作成を可能にしました。その後、μPADは急速に進化し、電気化学的手法20、化学発光21、酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)22、23、24などのさまざまなバイオセンシング技術が実装され、タンパク質25,26、DNA27,28、RNA29,30、エクソソーム31.これらの成果にもかかわらず、μPADは流速の遅さや溶媒の蒸発などの課題に直面しています。
ナノペーパー上にマイクロチャネルを作成するためのいくつかの方法が提案されています32,33,34。1つのアプローチは、材料に犠牲成分を3Dプリントすることを含むが、それはポンプフリー操作を制限する疎水性コーティングを必要とする33。別の技術では、接着剤を使用してナノペーパーシート間にチャネル層を手動で積み重ねることがありますが、これは労働集約的です32。或いは、予めパターン化されたモールド上にナノセルロース繊維をスプレーコーティングしてマイクロチャネルを作製することもできるが、それは時間と費用のかかるモールド準備を伴います34。特に、これらの方法はミリメートルスケールのマイクロチャネルに限定されており、試薬の量と積分に関するマイクロ流体デバイスの利点が損なわれています。マイクロメートルスケールの分解能を持つシンプルなナノペーパーマイクロチャネルパターニングプロセスの開発は、依然として課題です。
本研究では、実用的なマイクロエンボス加工に基づく独自のナノペーパーマイクロ流路パターニング法について紹介する。このアプローチは、高価な機器や特殊な機器を必要とせず、シンプルで費用対効果が高く、高精度であるため、既存の方法に比べていくつかの利点があります。凸型マイクロチャネル金型は、化学的不活性と焦げ付き防止特性で知られるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムをレーザー切断することによって製造されます。次に、このモールドを使用して、マイクロチャネルをナノペーパーゲルメンブレンにエンボス加工します。ナノペーパーゲルの2層目を上に塗布し、閉じた中空チャネルを作成します。このパターニング技術を用いて、層流ミキサーや液滴発生装置など、ナノペーパー上の基本的なマイクロ流体デバイスが開発されています。さらに、表面増強ラマン顕微鏡(SERS)ナノパッドの作製も実証されています。2つの化学試薬(AgNO3およびNaBH4)をチャネルに導入することにより、銀ナノ粒子ベースのSERS基板をその場で作製し、低い検出限界(LOD)で優れた性能を発揮します。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究の主な目的は、ナノペーパー上にマイクロ流路を作製する簡便な手法を開発することです。この課題に対処するために、PTFEを金型として使用して効率的なエンボス加工技術が考案されました12。温度とエンボス圧力を最適化することで、ナノパッドの信頼性の高い製造プロセスを確立するための一連の実験が行われました。さらに、クイックリファレンステーブルを?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、江蘇省高等教育自然科学基金会(22KJB460033)および江蘇省科学技術プログラム-若手学者(BK20200251)のプログラムからの財政的支援に感謝する。この研究は、XJTLU AI大学研究センター、XJTLUの江蘇省データサイエンスおよび認知計算工学研究センター、およびSIP AIイノベーションプラットフォーム(YZCXPT2022103)によって部分的にサポートされています。また、オープンプロジェクト(SKLMS2023019)によるState Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineeringと、文部科学省のKey Laboratory of Bionic Engineeringからの支援も認められています。
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 |
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