Mikroprägung: Ein praktisches Verfahren zur Herstellung von Mikrokanälen auf Mikrofluidik auf Nanozellulosepapier
Summary
Dieses Protokoll beschreibt ein unkompliziertes Verfahren, bei dem praktische Kunststoff-Mikroformen für einfache Mikroprägevorgänge verwendet werden, um Mikrokanäle auf nanofibrilliertem Zellulosepapier herzustellen, wobei eine Mindestbreite von 200 μm erreicht wird.
Abstract
Nanopapier, das aus nanofibrillierter Zellulose gewonnen wird, hat als vielversprechendes Material für mikrofluidische Anwendungen großes Interesse geweckt. Seine Attraktivität liegt in einer Reihe hervorragender Eigenschaften, darunter eine außergewöhnlich glatte Oberfläche, eine hervorragende optische Transparenz, eine gleichmäßige Nanofasermatrix mit nanoskaliger Porosität und anpassbare chemische Eigenschaften. Trotz des rasanten Wachstums der Mikrofluidik auf Nanopapierbasis weisen die derzeit verwendeten Techniken zur Herstellung von Mikrokanälen auf Nanopapier, wie z. B. 3D-Druck, Sprühbeschichtung oder manuelles Schneiden und Montieren, die für praktische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, immer noch bestimmte Einschränkungen auf, insbesondere die Anfälligkeit für Kontaminationen. Darüber hinaus beschränken sich diese Verfahren auf die Herstellung von millimetergroßen Kanälen. In dieser Studie wird ein unkompliziertes Verfahren vorgestellt, bei dem praktische Kunststoff-Mikroformen für einfache Mikroprägevorgänge verwendet werden, um Mikrokanäle auf Nanopapier herzustellen, wobei eine Mindestbreite von 200 μm erreicht wird. Der entwickelte Mikrokanal übertrifft bestehende Ansätze, erreicht eine vierfache Verbesserung und kann innerhalb von 45 Minuten hergestellt werden. Darüber hinaus wurden die Fertigungsparameter optimiert und eine praktische Kurzreferenztabelle für Anwendungsentwickler bereitgestellt. Der Proof-of-Concept für einen laminaren Mischer, einen Tröpfchengenerator und funktionelle Nanopapier-basierte Analysegeräte (NanoPADs) für die Rhodamin-B-Sensorik mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie wurde demonstriert. Bemerkenswert ist, dass die NanoPADs eine außergewöhnliche Leistung mit verbesserten Nachweisgrenzen aufwiesen. Diese herausragenden Ergebnisse sind auf die überlegenen optischen Eigenschaften von Nanopapier und die kürzlich entwickelte präzise Mikroprägemethode zurückzuführen, die die Integration und Feinabstimmung der NanoPADs ermöglicht.
Introduction
In jüngster Zeit hat sich nanofibrilliertes Zellulosepapier (NFC) (Nanopapier) als vielversprechendes Substratmaterial für verschiedene Anwendungen wie flexible Elektronik, Energiegeräte und biomedizinische Geräte herausgestellt 1,2,3,4. Nanopapier wird aus natürlichen Pflanzen gewonnen und ist kostengünstig, biokompatibel und biologisch abbaubar, was es zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichem Zellulosepapier macht 5,6. Zu seinen außergewöhnlichen Eigenschaften gehören eine ultraglatte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 25 nm und eine dichte Zellulosematrixstruktur, die die Bildung hochstrukturierter Nanostrukturen ermöglicht7. Reichlich vorhandene Hydroxylgruppen von Nanopapier tragen zu seiner kompakten und dicht gepackten Nanozellulosestrukturbei 8. Nanopapier weist eine hervorragende optische Transparenz und eine minimale optische Trübung auf und eignet sich daher gut für optische Sensoren. Darüber hinaus ermöglicht seine inhärente Hydrophilie einen pumpenfreien Durchfluss, selbst bei seiner dicken Struktur, und sorgt für eine autonome Flüssigkeitsbewegung 9,10. Nanocellulose hat vielfältige Anwendungen in biologischen Sensoren, leitfähigen elektronischen Geräten, Zellkulturplattformen, Superkondensatoren, Batterien und vielem mehr und zeigt ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial11,12. Insbesondere für papierbasierte analytische mikrofluidische Geräte (μPADs) ist Nanocellulose vielversprechend und bietet einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichem Chromatographiepapier.
In den letzten zehn Jahren haben μPADs aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Biokompatibilität, ihres pumpenfreien Betriebs und ihrer einfachen Herstellung große Aufmerksamkeit erlangt13,14. Diese Geräte haben sich als effektive Point-of-Care-Diagnoseinstrumente erwiesen, insbesondere in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen15,16,17. Ein bedeutender Fortschritt auf diesem Gebiet war die Entwicklung des Wachsdrucks, der von George Whitesides18 und der Bingcheng Lin-Gruppe19 vorangetrieben wurde und die Herstellung funktioneller μPADs durch die Einarbeitung von Mikrokanälen auf Chromatographiepapier ermöglichte. In der Folge entwickelten sich μPADs schnell weiter, und verschiedene Biosensortechniken, einschließlich elektrochemischer Methoden 20, Chemilumineszenz 21 und Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA)22,23,24, wurden erfolgreich für den Nachweis verschiedener Biomarker wie Proteine 25,26, DNAs 27,28, RNAs 29,30 und Exosomen31. Trotz dieser Errungenschaften stehen μPADs immer noch vor Herausforderungen, darunter langsame Flussgeschwindigkeiten und Lösungsmittelverdunstung.
Es wurden mehrere Methoden zur Erzeugung von Mikrokanälen auf Nanopapiervorgeschlagen 32,33,34. Ein Ansatz besteht darin, Opferbestandteile in 3D in das Material zu drucken, erfordert jedoch eine hydrophobe Beschichtung, die den pumpenfreien Betrieb einschränkt33. Eine andere Technik besteht darin, Kanalschichten zwischen Nanopapierbögen manuell mit Klebstoff zu stapeln, was arbeitsintensiv ist32. Alternativ kann das Aufsprühen von Nanozellulosefasern auf vorstrukturierte Formen Mikrokanäle erzeugen, erfordert jedoch eine zeitaufwändige und teure Formvorbereitung34. Insbesondere sind diese Methoden auf Mikrokanäle im Millimeterbereich beschränkt, was die Vorteile von mikrofluidischen Geräten in Bezug auf den Verbrauch und die Integration von Reagenzien beeinträchtigt. Die Entwicklung eines einfachen Mikrokanalstrukturierungsprozesses aus Nanopapier mit einer Auflösung im Mikrometerbereich bleibt eine Herausforderung.
In dieser Studie wird eine einzigartige Methode zur Strukturierung von Mikrokanälen aus Nanopapier vorgestellt, die auf praktischer Mikroprägung basiert. Der Ansatz bietet mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Methoden, da er keine teure oder spezialisierte Ausrüstung erfordert, einfach, kostengünstig und hochgenau ist. Eine konvexe Mikrokanalform wird durch Laserschneiden einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Folie hergestellt, die für ihre chemische Trägheit und Antihafteigenschaften bekannt ist. Diese Form wird dann verwendet, um Mikrokanäle auf eine Nanopapier-Gelmembran zu prägen. Eine zweite Schicht Nanopapiergel wird darauf aufgetragen, um geschlossene Hohlkanäle zu schaffen. Mit dieser Strukturierungstechnik werden grundlegende mikrofluidische Bauelemente auf Nanopapier entwickelt, darunter ein laminarer Mischer und ein Tröpfchengenerator. Darüber hinaus wird die Herstellung von oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie (SERS) NanoPADs demonstriert. Die In-situ-Herstellung eines auf Silbernanopartikeln basierenden SERS-Substrats wird durch das Einbringen von zwei chemischen Reagenzien (AgNO3 und NaBH4) in die Kanäle erreicht, was zu einer bemerkenswerten Leistung bei niedrigen Nachweisgrenzen (LODs) führt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Hauptaugenmerk dieser Studie liegt auf der Entwicklung einer einfachen Methode zur Herstellung von Mikrokanälen auf Nanopapier. Es wurde eine effiziente Prägetechnik entwickelt, bei der PTFE als Form verwendet wurde, um diese Herausforderung zu bewältigen12. Durch die Optimierung der Temperatur und des Prägedrucks wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um einen zuverlässigen Herstellungsprozess für NanoPADs zu etablieren. Darüber hinaus wurde die Verwendung einer Schnellrefere…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch die Programme der Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) und des Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Diese Arbeit wird teilweise auch vom XJTLU AI University Research Centre, dem Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation am XJTLU und der SIP AI Innovation Platform (YZCXPT2022103) unterstützt. Die Unterstützung durch das State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering im Rahmen des offenen Projekts (SKLMS2023019) und das Key Laboratory of Bionic Engineering des Bildungsministeriums werden ebenfalls gewürdigt.
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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