Microestampado: un proceso conveniente para la fabricación de microcanales en microfluídica basada en papel de nanocelulosa
Summary
Este protocolo describe un proceso sencillo que utiliza convenientes micromoldes de plástico para operaciones simples de microestampado para fabricar microcanales en papel de celulosa nanofibrilado, logrando un ancho mínimo de 200 μm.
Abstract
El nanopapel, derivado de la celulosa nanofibrilada, ha generado un interés considerable como material prometedor para aplicaciones microfluídicas. Su atractivo radica en una gama de excelentes cualidades, que incluyen una superficie excepcionalmente lisa, una transparencia óptica excepcional, una matriz de nanofibras uniforme con porosidad a nanoescala y propiedades químicas personalizables. A pesar del rápido crecimiento de la microfluídica basada en nanopapel, las técnicas actuales utilizadas para crear microcanales en nanopapel, como la impresión 3D, el recubrimiento por pulverización o el corte y ensamblaje manual, que son cruciales para las aplicaciones prácticas, todavía poseen ciertas limitaciones, en particular la susceptibilidad a la contaminación. Además, estos métodos se limitan a la producción de canales de tamaño milimétrico. Este estudio presenta un proceso sencillo que utiliza convenientes micromoldes de plástico para operaciones simples de microestampado para fabricar microcanales en nanopapel, logrando un ancho mínimo de 200 μm. El microcanal desarrollado supera los enfoques existentes, logrando una mejora de cuatro veces, y se puede fabricar en 45 minutos. Además, se han optimizado los parámetros de fabricación y se proporciona una cómoda tabla de referencia rápida para los desarrolladores de aplicaciones. Se demostró la prueba de concepto de un mezclador laminar, un generador de gotas y dispositivos analíticos funcionales basados en nanopapel (NanoPAD) diseñados para la detección de rodamina B mediante espectroscopía Raman mejorada en superficie. En particular, los NanoPAD mostraron un rendimiento excepcional con límites de detección mejorados. Estos excelentes resultados se pueden atribuir a las propiedades ópticas superiores del nanopapel y al método de microestampado preciso recientemente desarrollado, que permite la integración y el ajuste fino de los NanoPAD.
Introduction
Recientemente, el papel de celulosa nanofibrilada (NFC) (nanopapel) ha surgido como un material de sustrato muy prometedor para diversas aplicaciones, como la electrónica flexible, los dispositivos energéticos y la biomedicina 1,2,3,4. Derivado de plantas naturales, el nanopapel es rentable, biocompatible y biodegradable, lo que lo convierte en una alternativa atractiva al papel de celulosa tradicional 5,6. Sus propiedades excepcionales incluyen una superficie ultralisa con una rugosidad superficial inferior a 25 nm y una estructura de matriz de celulosa densa, lo que permite la creación de nanoestructuras altamente estructuradas7. Los abundantes grupos hidroxilo del nanopapel contribuyen a su estructura de nanocelulosa compacta y compacta8. El nanopapel presenta una excelente transparencia óptica y una neblina óptica mínima, lo que lo hace muy adecuado para sensores ópticos. Además, su hidrofilicidad inherente permite un flujo sin bombas, incluso con su estructura gruesa, proporcionando un movimiento autónomo del fluido 9,10. La nanocelulosa tiene diversas aplicaciones en sensores biológicos, dispositivos electrónicos conductores, plataformas de cultivo celular, supercondensadores, baterías, entre otros, lo que demuestra su versatilidad y potencial11,12. En particular, la nanocelulosa es prometedora para los dispositivos microfluídicos analíticos (μPAD) basados en papel, ya que ofrece ventajas únicas sobre el papel de cromatografía convencional.
En la última década, los μPADs han logrado una atención significativa debido a su asequibilidad, biocompatibilidad, funcionamiento sin bomba y facilidad de producción13,14. Estos dispositivos se han convertido en herramientas diagnósticas eficaces en el punto de atención, especialmente en entornos de recursos limitados15,16,17. Un avance significativo en este campo fue el desarrollo de la impresión en cera, iniciada por George Whitesides18 y el grupo Bingcheng Lin19, que permitió la creación de μPADs funcionales mediante la incorporación de microcanales en papel de cromatografía. Posteriormente, los μPADs evolucionaron rápidamente, y varias técnicas de biodetección, incluyendo los métodos electroquímicos 20, quimioluminiscencia21 y ensayo de inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA)22,23,24, se implementaron con éxito para la detección de diversos biomarcadores como las proteínas 25,26, los ADNs 27,28, los ARNs 29,30 y los exosomas31. A pesar de estos logros, los μPAD aún enfrentan desafíos, incluidas las velocidades de flujo lentas y la evaporación del solvente.
Se han propuesto varios métodos para la creación de microcanales en nanopapel32,33,34. Un enfoque implica la impresión 3D de ingredientes sacrificados en el material, pero requiere un recubrimiento hidrofóbico que limite el funcionamiento sin bomba33. Otra técnica consiste en apilar manualmente capas de canal entre hojas de nanopapel utilizando pegamento, que requiere mucha mano de obra32. Alternativamente, el recubrimiento por pulverización de fibras de nanocelulosa en moldes premodelados puede crear microcanales, pero implica una preparación de moldes costosa y que requiere mucho tiempo34. En particular, estos métodos se limitan a microcanales a escala milimétrica, lo que compromete las ventajas de los dispositivos microfluídicos en cuanto al consumo de volumen de reactivos y la integración. El desarrollo de un proceso simple de modelado de microcanales de nanopapel con resolución a escala micrométrica sigue siendo un desafío.
Este estudio presenta un método único de modelado de microcanales de nanopapel basado en el microrelieve práctico. El enfoque ofrece varias ventajas sobre los métodos existentes, ya que no requiere equipos costosos o especializados, es simple, rentable y altamente preciso. Un molde de microcanal convexo se fabrica cortando con láser una película de politetrafluoroetileno (PTFE), conocida por su inercia química y propiedades antiadherentes. Este molde se utiliza para estampar microcanales en una membrana de gel de nanopapel. Se aplica una segunda capa de gel de nanopapel en la parte superior para crear canales huecos cerrados. Utilizando esta técnica de modelado, se desarrollan dispositivos microfluídicos fundamentales en nanopapel, incluido un mezclador laminar y un generador de gotas. Además, se demuestra la fabricación de NanoPAD de microscopía Raman mejorada de superficie (SERS). La creación in situ de un sustrato SERS basado en nanopartículas de plata se logra mediante la introducción de dos reactivos químicos (AgNO3 y NaBH4) en los canales, lo que da como resultado un rendimiento notable con bajos límites de detección (LOD).
Protocol
Representative Results
Discussion
El objetivo principal de este estudio es desarrollar un método simple para fabricar microcanales en nanopapel. Se ideó una técnica de estampado eficiente utilizando PTFE como molde para abordar este desafío12. Al optimizar la temperatura y la presión de estampado, se llevaron a cabo una serie de experimentos para establecer un proceso de fabricación confiable para los NanoPAD. Además, se demostró el uso de una tabla de referencia rápida para ajustar las aplicaciones de los NanoPADs en dif…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen el apoyo financiero de los programas de la Fundación de Ciencias Naturales de la Educación Superior de Jiangsu (22KJB460033) y el Programa de Ciencia y Tecnología de Jiangsu – Young Scholar (BK20200251). Este trabajo también cuenta con el apoyo parcial del Centro de Investigación de la Universidad de IA XJTLU, el Centro de Investigación de Ingeniería de Ciencia de Datos y Computación Cognitiva de la Provincia de Jiangsu en XJTLU y la plataforma de innovación de IA SIP (YZCXPT2022103). También se reconoce el apoyo del Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería de Sistemas de Fabricación a través del proyecto abierto (SKLMS2023019) y del Laboratorio Clave de Ingeniería Biónica del Ministerio de Educación.
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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