Microgoffratura: un processo conveniente per la fabbricazione di microcanali su microfluidica a base di carta nanocellulosica
Summary
Questo protocollo descrive un processo semplice che utilizza comodi microstampi in plastica per semplici operazioni di microgoffratura per fabbricare microcanali su carta di cellulosa nanofibrillata, raggiungendo una larghezza minima di 200 μm.
Abstract
La nanocarta, derivata dalla cellulosa nanofibrillata, ha suscitato un notevole interesse come materiale promettente per applicazioni microfluidiche. Il suo fascino risiede in una gamma di qualità eccellenti, tra cui una superficie eccezionalmente liscia, un’eccezionale trasparenza ottica, una matrice uniforme di nanofibre con porosità su scala nanometrica e proprietà chimiche personalizzabili. Nonostante la rapida crescita della microfluidica basata su nanocarta, le attuali tecniche utilizzate per creare microcanali su nanocarta, come la stampa 3D, il rivestimento a spruzzo o il taglio e l’assemblaggio manuale, che sono cruciali per le applicazioni pratiche, possiedono ancora alcune limitazioni, in particolare la suscettibilità alla contaminazione. Inoltre, questi metodi sono limitati alla produzione di canali di dimensioni millimetriche. Questo studio introduce un processo semplice che utilizza comodi micro-stampi in plastica per semplici operazioni di microgoffratura per fabbricare microcanali su nanocarta, raggiungendo una larghezza minima di 200 μm. Il microcanale sviluppato supera gli approcci esistenti, ottenendo un miglioramento di quattro volte, e può essere fabbricato in 45 minuti. Inoltre, i parametri di fabbricazione sono stati ottimizzati e viene fornita una comoda tabella di riferimento rapido per gli sviluppatori di applicazioni. È stato dimostrato il proof-of-concept per un miscelatore laminare, un generatore di gocce e dispositivi analitici funzionali basati su nanocarta (NanoPAD) progettati per il rilevamento della rodamina B utilizzando la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie. In particolare, i NanoPAD hanno mostrato prestazioni eccezionali con limiti di rilevamento migliorati. Questi risultati eccezionali possono essere attribuiti alle proprietà ottiche superiori della nanocarta e all’accurato metodo di microgoffratura recentemente sviluppato, che consente l’integrazione e la messa a punto dei NanoPAD.
Introduction
Recentemente, la carta di cellulosa nanofibrillata (NFC) (nanocarta) è emersa come un materiale di substrato molto promettente per varie applicazioni come l’elettronica flessibile, i dispositivi energetici e i biomedici 1,2,3,4. Derivata da piante naturali, la nanocarta è economica, biocompatibile e biodegradabile, il che la rende un’alternativa interessante alla tradizionale carta di cellulosa 5,6. Le sue eccezionali proprietà includono una superficie ultra-liscia con una rugosità superficiale inferiore a 25 nm e una struttura a matrice di cellulosa densa, che consente la creazione di nanostrutture altamente strutturate7. Abbondanti gruppi ossidrilici di nanocarta contribuiscono alla sua struttura nanocellulosica compatta e compatta8. La nanocarta presenta un’eccellente trasparenza ottica e una minima foschia ottica, il che la rende adatta per i sensori ottici. Inoltre, la sua idrofilia intrinseca consente un flusso senza pompa, anche con la sua struttura spessa, fornendo un movimento autonomo del fluido 9,10. La nanocellulosa ha diverse applicazioni in sensori biologici, dispositivi elettronici conduttivi, piattaforme di coltura cellulare, supercondensatori, batterie e altro ancora, dimostrando la sua versatilità e il suo potenziale11,12. In particolare, la nanocellulosa è promettente per i dispositivi microfluidici analitici (μPAD) a base di carta, offrendo vantaggi unici rispetto alla carta per cromatografia convenzionale.
Nell’ultimo decennio, i μPAD hanno attirato un’attenzione significativa grazie alla loro convenienza, biocompatibilità, funzionamento senza pompa e facilità di produzione13,14. Questi dispositivi sono emersi come efficaci strumenti diagnostici point-of-care, in particolare in contesti con risorse limitate15,16,17. Un progresso significativo in questo campo è stato lo sviluppo della stampa a cera, introdotta da George Whitesides18 e dal gruppo Bingcheng Lin19, che ha permesso la creazione di μPAD funzionali incorporando microcanali su carta cromatografica. Successivamente, i μPAD si sono evoluti rapidamente e varie tecniche di biorilevamento, tra cui i metodi elettrochimici 20, la chemiluminescenza21 e il saggio di immunoassorbimento enzimatico (ELISA)22,23,24, sono state implementate con successo per il rilevamento di diversi biomarcatori come proteine 25,26, DNA 27,28, RNA 29,30 e esosomi31. Nonostante questi risultati, i μPAD devono ancora affrontare delle sfide, tra cui la bassa velocità di flusso e l’evaporazione del solvente.
Sono stati proposti diversi metodi per la creazione di microcanali su nanocarta32,33,34. Un approccio prevede la stampa 3D di ingredienti sacrificali nel materiale, ma richiede un rivestimento idrofobico che limiti il funzionamento senza pompa33. Un’altra tecnica prevede l’impilamento manuale degli strati di canale tra i fogli di nanocarta utilizzando la colla, che richiede molto lavoro32. In alternativa, il rivestimento a spruzzo di fibre di nanocellulosa su stampi pre-strutturati può creare microcanali, ma comporta una preparazione dello stampo lunga e costosa34. In particolare, questi metodi sono limitati a microcanali su scala millimetrica, compromettendo i vantaggi dei dispositivi microfluidici per quanto riguarda il consumo e l’integrazione del volume dei reagenti. Lo sviluppo di un semplice processo di modellazione a microcanali di nanocarta con risoluzione su scala micrometrica rimane una sfida.
Questo studio presenta un metodo unico di modellazione a microcanali di nanocarta basato sulla microgoffratura pratica. L’approccio offre diversi vantaggi rispetto ai metodi esistenti, in quanto non richiede attrezzature costose o specializzate, è semplice, economico e altamente accurato. Uno stampo a microcanali convesso viene fabbricato tagliando al laser un film di politetrafluoroetilene (PTFE), noto per la sua inerzia chimica e le sue proprietà antiaderenti. Questo stampo viene quindi utilizzato per imprimere microcanali su una membrana di gel di nanocarta. Un secondo strato di gel di nanocarta viene applicato sulla parte superiore per creare canali cavi chiusi. Utilizzando questa tecnica di patterning, vengono sviluppati dispositivi microfluidici fondamentali su nanocarta, tra cui un miscelatore laminare e un generatore di gocce. Inoltre, viene dimostrata la fabbricazione di nanoPAD per microscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS). La creazione in situ di un substrato SERS a base di nanoparticelle d’argento si ottiene introducendo due reagenti chimici (AgNO3 e NaBH4) nei canali, ottenendo prestazioni notevoli con bassi limiti di rivelazione (LOD).
Protocol
Representative Results
Discussion
L’obiettivo principale di questo studio è quello di sviluppare un metodo semplice per la fabbricazione di microcanali su nanocarta. Per affrontare questa sfida è stata ideata un’efficiente tecnica di goffratura utilizzando il PTFE come stampo12. Ottimizzando la temperatura e la pressione di goffratura, sono stati condotti una serie di esperimenti per stabilire un processo di fabbricazione affidabile per i NanoPAD. Inoltre, è stato dimostrato l’uso di una tabella di riferimento rapido per regola…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono il sostegno finanziario dei programmi della Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) e del Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Questo lavoro è parzialmente supportato anche dal Centro di ricerca dell’Università di intelligenza artificiale XJTLU, dal Centro di ricerca ingegneristica della provincia di Jiangsu di Data Science e Cognitive Computation presso XJTLU e dalla piattaforma di innovazione SIP AI (YZCXPT2022103). Si riconosce inoltre il supporto del Laboratorio Chiave Statale per l’Ingegneria dei Sistemi di Produzione attraverso il progetto aperto (SKLMS2023019) e del Laboratorio Chiave di Ingegneria Bionica del Ministero dell’Istruzione.
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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