Microembossing: een handig proces voor het vervaardigen van microkanalen op microfluïdica op basis van nanocellulosepapier
Summary
Dit protocol beschrijft een eenvoudig proces waarbij gebruik wordt gemaakt van handige plastic micromallen voor eenvoudige micro-embossingbewerkingen om microkanalen te fabriceren op nanogefibrilleerd cellulosepapier, waarbij een minimale breedte van 200 μm wordt bereikt.
Abstract
Nanopapier, afgeleid van nanogefibrilleerde cellulose, heeft veel belangstelling gewekt als veelbelovend materiaal voor microfluïdische toepassingen. De aantrekkingskracht ligt in een reeks uitstekende eigenschappen, waaronder een uitzonderlijk glad oppervlak, uitstekende optische transparantie, een uniforme nanovezelmatrix met porositeit op nanoschaal en aanpasbare chemische eigenschappen. Ondanks de snelle groei van microfluïdica op basis van nanopapier, hebben de huidige technieken die worden gebruikt om microkanalen op nanopapier te creëren, zoals 3D-printen, spuitcoating of handmatig snijden en assembleren, die cruciaal zijn voor praktische toepassingen, nog steeds bepaalde beperkingen, met name de gevoeligheid voor verontreiniging. Bovendien zijn deze methoden beperkt tot de productie van millimetergrote kanalen. Deze studie introduceert een eenvoudig proces dat gebruik maakt van handige plastic micromallen voor eenvoudige micro-embossing-bewerkingen om microkanalen op nanopapier te fabriceren, waarbij een minimale breedte van 200 μm wordt bereikt. Het ontwikkelde microkanaal presteert beter dan bestaande benaderingen, bereikt een viervoudige verbetering en kan binnen 45 minuten worden gefabriceerd. Bovendien zijn de fabricageparameters geoptimaliseerd en is er een handige snelreferentietabel beschikbaar voor applicatieontwikkelaars. Het proof-of-concept voor een laminaire mixer, druppelgenerator, en functionele nanopaper-gebaseerde analytische apparaten (NanoPADs) ontworpen voor Rhodamine B-detectie met behulp van oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie werd gedemonstreerd. Met name de NanoPAD’s vertoonden uitzonderlijke prestaties met verbeterde detectielimieten. Deze uitstekende resultaten kunnen worden toegeschreven aan de superieure optische eigenschappen van nanopapier en de recent ontwikkelde nauwkeurige micro-reliëfmethode, die de integratie en fijnafstemming van de NanoPADs mogelijk maakt.
Introduction
Onlangs is nanofibrilleercellulose (NFC) papier (nanopaper) naar voren gekomen als een veelbelovend substraatmateriaal voor verschillende toepassingen, zoals flexibele elektronica, energieapparaten en biomedische middelen 1,2,3,4. Nanopapier is afgeleid van natuurlijke planten en is kosteneffectief, biocompatibel en biologisch afbreekbaar, waardoor het een aantrekkelijk alternatief is voor traditioneel cellulosepapier 5,6. De uitzonderlijke eigenschappen zijn onder meer een ultraglad oppervlak met een oppervlakteruwheid van minder dan 25 nm en een dichte cellulosematrixstructuur, waardoor sterk gestructureerde nanostructuren kunnen worden gecreëerd7. Overvloedige hydroxylgroepen van nanopapier dragen bij aan de compacte en dicht opeengepakte nanocellulosestructuur8. Nanopapier vertoont een uitstekende optische transparantie en minimale optische waas, waardoor het zeer geschikt is voor optische sensoren. Bovendien zorgt de inherente hydrofiliciteit voor een pompvrije stroming, zelfs met zijn dikke structuur, waardoor autonome vloeistofbeweging 9,10 ontstaat. Nanocellulose heeft diverse toepassingen in biologische sensoren, geleidende elektronische apparaten, celkweekplatforms, supercondensatoren, batterijen en meer, en toont zijn veelzijdigheid en potentieel11,12. Nanocellulose is met name veelbelovend voor op papier gebaseerde analytische microfluïdische apparaten (μPAD’s) en biedt unieke voordelen ten opzichte van conventioneel chromatografiepapier.
In het afgelopen decennium hebben μPAD’s veel aandacht gekregen vanwege hun betaalbaarheid, biocompatibiliteit, pompvrije werking en productiegemak13,14. Deze apparaten zijn naar voren gekomen als effectieve diagnostische hulpmiddelen voor point-of-care, met name in omgevingen met beperkte middelen15,16,17. Een belangrijke vooruitgang op dit gebied was de ontwikkeling van wasprinten, ontwikkeld door George Whitesides18 en de Bingcheng Lin-groep19, waardoor functionele μPAD’s konden worden gemaakt door microkanalen op chromatografiepapier op te nemen. Vervolgens evolueerden μPAD’s snel en werden verschillende biosensing-technieken, waaronder elektrochemische methoden 20, chemiluminescentie21 en enzymgekoppelde immunosorbenttest (ELISA)22,23,24, met succes geïmplementeerd voor de detectie van diverse biomarkers zoals eiwitten 25,26, DNA’s 27,28, RNA’s 29,30 en exosomen31. Ondanks deze prestaties worden μPAD’s nog steeds geconfronteerd met uitdagingen, waaronder lage stroomsnelheden en verdamping van oplosmiddelen.
Er zijn verschillende methoden voorgesteld voor het maken van microkanalen op nanopapier32,33,34. Eén benadering omvat het 3D-printen van opofferende ingrediënten in het materiaal, maar het vereist een hydrofobe coating die de pompvrije werking beperkt33. Een andere techniek is het handmatig stapelen van kanaallagen tussen nanopapiervellen met behulp van lijm, wat arbeidsintensief is32. Als alternatief kan het spuiten van nanocellulosevezels op vooraf gevormde mallen microkanalen creëren, maar het vereist tijdrovende en dure matrijsvoorbereiding34. Deze methoden zijn met name beperkt tot microkanalen op millimeterschaal, waardoor de voordelen van microfluïdische apparaten met betrekking tot het verbruik en de integratie van reagensvolumes in het gedrang komen. Het ontwikkelen van een eenvoudig nanopapieren microkanaalpatroonproces met een resolutie op micrometerschaal blijft een uitdaging.
Deze studie presenteert een unieke nanopaper microchannel patroonmethode gebaseerd op praktische micro-embossing. De aanpak biedt verschillende voordelen ten opzichte van bestaande methoden, omdat er geen dure of gespecialiseerde apparatuur voor nodig is, eenvoudig, kosteneffectief en zeer nauwkeurig is. Een convexe microkanaalmal wordt vervaardigd door het lasersnijden van een polytetrafluorethyleen (PTFE) film, bekend om zijn chemische inertie en anti-aanbakeigenschappen. Deze mal wordt vervolgens gebruikt om microkanaaltjes op een nanopaper-gelmembraan te embossen. Bovenop wordt een tweede laag nanopapiergel aangebracht om gesloten holle kanalen te creëren. Met behulp van deze patroontechniek worden fundamentele microfluïdische apparaten op nanopapier ontwikkeld, waaronder een laminaire mixer en druppelgenerator. Daarnaast wordt de fabricage van oppervlakte-verbeterde Raman-microscopie (SERS) NanoPAD’s gedemonstreerd. In-situ creatie van een SERS-substraat op basis van zilveren nanodeeltjes wordt bereikt door twee chemische reagentia (AgNO3 en NaBH4) in de kanalen te introduceren, wat resulteert in opmerkelijke prestaties met lage detectielimieten (LOD’s).
Protocol
Representative Results
Discussion
De primaire focus van dit onderzoek is het ontwikkelen van een eenvoudige methode voor het fabriceren van microkanalen op nanopapier. Er werd een efficiënte embossingtechniek bedacht met PTFE als mal om deze uitdaging aan te gaan12. Door de temperatuur en de reliëfdruk te optimaliseren, werd een reeks experimenten uitgevoerd om een betrouwbaar fabricageproces voor NanoPAD’s tot stand te brengen. Daarnaast werd het gebruik van een quick-reference tabel gedemonstreerd om de toepassingen van NanoPA…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de financiële steun van de programma’s van de Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education (22KJB460033) en het Jiangsu Science and Technology Programme – Young Scholar (BK20200251). Dit werk wordt ook gedeeltelijk ondersteund door het XJTLU AI University Research Centre, het Jiangsu Province Engineering Research Centre of Data Science and Cognitive Computation bij XJTLU en het SIP AI-innovatieplatform (YZCXPT2022103). De steun van het State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering via het open project (SKLMS2023019) en het Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministerie van Onderwijs, wordt ook erkend.
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 |
References
- Zhu, H., Fang, Z., Preston, C., Li, Y., Hu, L. Transparent paper: fabrications, properties, and device applications. Energy & Environmental Science. 7 (1), 269-287 (2013).
- Nogi, M., Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., Yano, H. Optically transparent nanofiber paper. Advanced Materials. 21 (16), 1595-1598 (2009).
- Li, X., et al. Three-dimensional sulfated bacterial cellulose/gelatin composite scaffolds for culturing hepatocytes. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0021 (2023).
- Barhoum, A., Samyn, P., Öhlund, T., Dufresne, A. Review of recent research on flexible multifunctional nanopapers. Nanoscale. 9 (40), 15181-15205 (2017).
- Dufresne, A. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16 (6), 220-227 (2013).
- Martin-Martinez, F. J. Designing nanocellulose materials from the molecular scale. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (28), 7174-7175 (2018).
- Sehaqui, H., Liu, A., Zhou, Q., Berglund, L. A. Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose/inorganic nanopaper structures. Biomacromolecules. 11 (9), 2195-2198 (2010).
- Fang, Z., et al. Novel nanostructured paper with ultrahigh transparency and ultrahigh haze for solar cells. Nano Letters. 14 (2), 765-773 (2014).
- Zheng, G., et al. Nanostructured paper for flexible energy and electronic devices. MRS Bulletin. 38 (4), 320-325 (2013).
- Chen, L., Ying, B., Song, P., Liu, X. A nanocellulose-paper-based sers multiwell plate with high sensitivity and high signal homogeneity. Advanced Materials Interfaces. 6 (24), 1901346 (2019).
- Koga, H., et al. Transparent, conductive, and printable composites consisting of tempo-oxidized nanocellulose and carbon nanotube. Biomacromolecules. 14 (4), 1160-1165 (2013).
- Yuan, W., et al. Facile microembossing process for microchannel fabrication for nanocellulose-paper-based microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 15 (5), 6420-6430 (2023).
- Rolland, J. P., Mourey, D. A. Paper as a novel material platform for devices. MRS Bulletin. 38 (4), 299-305 (2013).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Butte, M. J., Whitesides, G. M. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angewandte Chemie International Edition. 46 (8), 1318-1320 (2007).
- Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Lab-on-a-chip devices for global health: past studies and future opportunities. Lab on a Chip. 7 (1), 41-57 (2006).
- Chin, C. D., et al. Microfluidics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world. Nature Medicine. 17 (8), 1015-1019 (2011).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M., Carrilho, E. Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Analytical Chemistry. 82 (1), 3-10 (2010).
- Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. 81 (16), 7091-7095 (2009).
- Lu, Y., Shi, W., Qin, J., Lin, B. Fabrication and characterization of paper-based microfluidics prepared in nitrocellulose membrane by wax printing. Analytical Chemistry. 82 (1), 329-335 (2010).
- Li, X., Zhao, C., Liu, X. A paper-based microfluidic biosensor integrating zinc oxide nanowires for electrochemical glucose detection. Microsystems & Nanoengineering. 1 (1), 1-7 (2015).
- Nie, Z., et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab on a Chip. 10 (4), 477-483 (2010).
- Cai, T., et al. A paper-based microfluidic analytical device with a highly integrated on-chip valve for autonomous ELISA. 2022 IEEE 35th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems Conference (MEMS). , 271-274 (2022).
- Murdock, R. C., et al. Optimization of a paper-based ELISA for a human performance biomarker). Analytical Chemistry. 85 (23), 11634-11642 (2013).
- Cheng, C. M., et al. Paper-based ELISA. Angewandte Chemie. 122 (28), 4881-4884 (2010).
- Holstein, C. A., et al. Immobilizing affinity proteins to nitrocellulose: a toolbox for paper-based assay developers. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (5), 1335-1346 (2016).
- Tenda, K., et al. Paper-based antibody detection devices using bioluminescent bret-switching sensor proteins. Angewandte Chemie International Edition. 57 (47), 15369-15373 (2018).
- Gong, M. M., Nosrati, R., San Gabriel, M. C., Zini, A., Sinton, D. Direct DNA Analysis with paper-based ion concentration polarization. Journal of the American Chemical Society. 137 (43), 13913-13919 (2015).
- Gan, W., et al. A filter paper-based microdevice for low-cost, rapid, and automated DNA extraction and amplification from diverse sample types. Lab on a Chip. 14 (19), 3719-3728 (2014).
- Liu, Y., et al. Fluorescent paper-based analytical devices for ultra-sensitive dual-type RNA detections and accurate gastric cancer screening. Biosensors and Bioelectronics. 197, 113781 (2022).
- Yuan, H., et al. Microfluidic-assisted Caenorhabditis elegans sorting: current status and future prospects. Cyborg and Bionic Systems. 4, 0011 (2023).
- Kim, H., et al. Origami-paper-based device for microvesicle/exosome preconcentration and isolation. Lab on a Chip. 19 (23), 3917-3921 (2019).
- Ying, B., et al. NanoPADs and nanoFACEs: an optically transparent nanopaper-based device for biomedical applications. Lab on a Chip. 20 (18), 3322-3333 (2020).
- Shin, S., Hyun, J. Matrix-assisted three-dimensional printing of cellulose nanofibers for paper microfluidics. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 26438-26446 (2017).
- Browne, C., Garnier, G., Batchelor, W. Moulding of micropatterned nanocellulose films and their application in fluid handling. Journal of Colloid and Interface Science. 587, 162-172 (2021).
- Paul, R., et al. Shear stress related blood damage in laminar couette flow. Artificial Organs. 27 (6), 517-529 (2003).
- Thuo, M. M., et al. Fabrication of low-cost paper-based microfluidic devices by embossing or cut-and-stack methods. Chemistry of Materials. 26 (14), 4230-4237 (2014).
- Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up. Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).
- Nisisako, T., Torii, T., Higuchi, T. Droplet formation in a microchannel network. Lab on a Chip. 2 (1), 24-26 (2002).
- Wang, Y., Zhang, X., Wen, G., Liang, A., Jiang, Z. Facile synthesis of a highly SERS active nanosilver sol using microwaves and its application in the detection of E. coli using Victoria blue B as a molecular probe. Analytical Methods. 8 (24), 4881-4887 (2016).
- Pham, T. T. H., Dien, N. D., Vu, X. H. Facile synthesis of silver/gold alloy nanoparticles for ultra-sensitive rhodamine B detection. RSC Advances. 11 (35), 21475-21488 (2021).
- Li, D., Li, D. W., Li, Y., Fossey, J. S., Long, Y. T. Cyclic electroplating and stripping of silver on Au@SiO2 core/shell nanoparticles for sensitive and recyclable substrate of surface-enhanced Raman scattering. Journal of Materials Chemistry. 20 (18), 3688-3693 (2010).
- Sun, C. H., Wang, M. L., Feng, Q., Liu, W., Xu, C. X. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) study on Rhodamine B adsorbed on different substrates. Russian Journal of Physical Chemistry A. 89 (2), 291-296 (2015).
