마이크로엠보싱: 나노셀룰로오스 종이 기반 미세유체역학에서 마이크로채널을 제작하기 위한 편리한 공정
Summary
이 프로토콜은 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 피브릴화 셀룰로오스 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 너비 200μm를 달성하는 간단한 프로세스를 설명합니다.
Abstract
나노피브릴화 셀룰로오스에서 추출한 나노페이퍼는 미세유체 응용 분야의 유망한 소재로 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 그 매력은 매우 매끄러운 표면, 뛰어난 광학 투명성, 나노 스케일 다공성을 가진 균일한 나노섬유 매트릭스 및 맞춤형 화학적 특성을 포함한 다양한 우수한 품질에 있습니다. 나노 페이퍼 기반 미세 유체 공학의 급속한 성장에도 불구하고 실제 응용 분야에 중요한 3D 프린팅, 스프레이 코팅 또는 수동 절단 및 조립과 같이 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 만드는 데 사용되는 현재 기술은 여전히 특정 한계, 특히 오염에 대한 민감성을 가지고 있습니다. 또한 이러한 방법은 밀리미터 크기의 채널 생산으로 제한됩니다. 이 연구는 간단한 마이크로 엠보싱 작업을 위해 편리한 플라스틱 마이크로 몰드를 사용하여 나노 종이에 마이크로 채널을 제작하여 최소 200μm의 너비를 달성하는 간단한 프로세스를 소개합니다. 개발된 마이크로채널은 기존 접근 방식을 능가하여 4배 개선을 달성했으며 45분 이내에 제작할 수 있습니다. 또한 제작 매개변수가 최적화되었으며 애플리케이션 개발자를 위한 편리한 빠른 참조 테이블이 제공됩니다. 표면 강화 라만 분광법을 사용하여 로다민 B 감지를 위해 설계된 층류 혼합기, 액적 발생기 및 기능성 나노페이퍼 기반 분석 장치(NanoPAD)에 대한 개념 증명이 시연되었습니다. 특히, NanoPAD는 향상된 검출 한계와 함께 탁월한 성능을 보여주었습니다. 이러한 뛰어난 결과는 나노페이퍼의 우수한 광학 특성과 최근에 개발된 정확한 마이크로 엠보싱 방법에 기인할 수 있으며, 이를 통해 NanoPAD의 통합 및 미세 조정이 가능합니다.
Introduction
최근 나노피브릴화 셀룰로오스(NFC) 종이(나노페이퍼)는 플렉시블 전자, 에너지 소자, 바이오메디컬 1,2,3,4 등 다양한 응용 분야에서 매우 유망한 기판 소재로 부상하고 있습니다. 천연 식물에서 추출한 나노페이퍼는 비용 효율적이고 생체 적합성이 있으며 생분해성이 있어 기존 셀룰로오스 종이 5,6에 대한 매력적인 대안입니다. 그 탁월한 특성에는 표면 거칠기가 25nm 미만인 매우 매끄러운 표면과 조밀한 셀룰로오스 매트릭스 구조가 포함되어 있어 고도로 구조화된 나노 구조를 생성할 수 있습니다7. 나노 페이퍼의 풍부한 수산기 그룹은 조밀하고 조밀하게 포장 된 나노 셀룰로오스 구조8에 기여합니다. 나노페이퍼는 우수한 광학 투명성과 최소한의 광학 헤이즈를 나타내므로 광학 센서에 매우 적합합니다. 또한 고유한 친수성은 두꺼운 구조에서도 펌프가 필요 없는 흐름을 가능하게 하여 자율적인 유체 운동 9,10을 제공합니다. 나노셀룰로오스는 생물학적 센서, 전도성 전자 장치, 세포 배양 플랫폼, 슈퍼 커패시터, 배터리 등 다양한 응용 분야에 적용되어 다목적성과 잠재력을 보여줍니다11,12. 특히, 나노셀룰로오스는 종이 기반 분석 미세유체 장치(μPAD)에 유망하며 기존 크로마토그래피 종이에 비해 고유한 이점을 제공합니다.
지난 10년 동안 μPAD는 경제성, 생체 적합성, 펌프가 필요 없는 작동 및 생산 용이성으로 인해 상당한 주목을 받았습니다13,14. 이러한 장치들은 특히 자원이 제한된 환경에서 효과적인 현장 진단 도구로 부상하고있다 15,16,17. 이 분야의 중요한 발전은 George Whitesides(18)와 Bingcheng Lin 그룹(19)이 개척한 왁스 프린팅의 개발로, 크로마토그래피 종이에 마이크로채널을 통합하여 기능성 μPAD를 생성할 수 있게 되었습니다. 그 후, μPAD는 빠르게 발전하여 단백질 25,26, DNA27,28, RNA 29,30 및 엑소좀31. 이러한 성과에도 불구하고 μPAD는 느린 유속 및 용매 증발 등의 문제에 직면해 있습니다.
나노 페이퍼32,33,34 상에 마이크로 채널을 생성하기위한 몇 가지 방법이 제안되었습니다. 한 가지 접근법은 희생 성분을 재료에 3D 프린팅하는 것을 포함하지만, 펌프가 필요 없는 작동을 제한하는 소수성 코팅을 필요로 한다(33). 또 다른 기술은 접착제를 사용하여 나노 페이퍼 시트 사이에 채널 층을 수동으로 적층하는 것을 포함하는데, 이는 노동 집약적입니다32. 대안적으로, 나노셀룰로오스 섬유를 미리 패턴화된 몰드 상에 스프레이-코팅하는 것은 마이크로채널을 생성할 수 있지만, 이는 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 몰드 제조를 수반한다(34). 특히, 이러한 방법은 밀리미터 규모의 마이크로 채널로 제한되어 시약 부피 소비 및 통합과 관련된 미세 유체 장치의 이점을 손상시킵니다. 마이크로미터 단위의 분해능을 가진 간단한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 공정을 개발하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.
본 연구는 실용적인 마이크로엠보싱을 기반으로 한 독특한 나노페이퍼 마이크로채널 패터닝 방법을 제시합니다. 이 접근 방식은 고가의 특수 장비가 필요하지 않고 간단하고 비용 효율적이며 매우 정확하기 때문에 기존 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 볼록 마이크로채널 금형은 화학적 불활성 및 비점착 특성으로 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름을 레이저 절단하여 제작됩니다. 그런 다음 이 금형을 사용하여 마이크로채널을 나노페이퍼 겔 멤브레인에 엠보싱합니다. 나노 페이퍼 겔의 두 번째 층을 맨 위에 도포하여 닫힌 중공 채널을 만듭니다. 이 패터닝 기술을 사용하여 층류 믹서 및 액적 발생기를 포함한 나노 페이퍼의 기본 미세 유체 장치가 개발됩니다. 또한 표면 강화 라만 현미경(SERS) NanoPAD의 제조가 시연됩니다. 은 나노 입자 기반 SERS 기판의 현장 생성은 두 개의 화학 시약(AgNO3 및 NaBH4)을 채널에 도입하여 낮은 검출 한계(LOD)로 놀라운 성능을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구의 주요 초점은 나노 페이퍼에 마이크로 채널을 제조하는 간단한 방법을 개발하는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 PTFE를 금형으로 사용하여 효율적인 엠보싱 기술이 고안되었습니다12. 온도와 엠보싱 압력을 최적화하여 NanoPAD에 대한 신뢰할 수 있는 제조 공정을 확립하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 또한 다양한 분야에서 NanoPAD의 응용 분야를 조정하기 위해 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 장쑤 고등 교육 자연 과학 재단 (22KJB460033) 및 장쑤 과학 기술 프로그램 – 젊은 학자 (BK20200251)의 프로그램의 재정적 지원을 인정합니다. 이 작업은 XJTLU AI 대학 연구 센터, XJTLU의 장쑤성 데이터 과학 및 인지 계산 공학 연구 센터 및 SIP AI 혁신 플랫폼(YZCXPT2022103)의 일부 지원도 받고 있습니다. 오픈 프로젝트(SKLMS2023019)를 통한 제조시스템공학을 위한 국가핵심연구소와 교육부 바이오닉스공학핵심연구소의 지원도 인정받고 있다.
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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