Risto Koivunen tutkii väitöskirjassaan pigmenttipäällysteiden pintakemiaa muokkaavia erikoismusteita. Tutkimus on osa Functional Wicking Surfaces -projektia.
Paperille painettavat, diagnostiset testit esimerkiksi terveyden tai ympäristön tarkkailuun ovat painetun toiminnallisuuden alue, jota on tutkittu yli vuosikymmenen ajan. Nykyiset painotekniikat periaatteessa mahdollistavat testien massavalmistuksen painamalla paperille erikoismusteita, jotka sisältävät diagnostiikkaan tarvittavat materiaalit. Tällaisten painettavien testien kehittäminen vaatii painomenetelmien ja -materiaalien osaamisen lisäksi myös itse diagnoosimenetelmän ja -kohteen ymmärtämistä. Käytännön haasteina kehitystyössä ovat testeiltä vaadittava tarkka toistettavuus ja hyvä varastoitavuus eri olosuhteissa. Toistaiseksi vain muutamia testejä on päätynyt kaupalliseen tuotantoon.
Aalto-yliopiston painatustekniikan tutkimusryhmän Functional Wicking Surfaces -projektissa tutkittiin tarkoitusta varten suunniteltujen pigmenttipäällysteiden mahdollisuuksia painetun mikrofluidisen diagnostiikan alustoina. Pigmenttipäällystys on kaupallisten painopapereiden valmistuksessa pitkään käytetty menetelmä, jolla parannetaan paperin painolaatua. Muu painetun diagnostiikan tutkimus on keskittynyt pääasiallisesti pelkästä selluloosasta valmistettuihin papereihin, eikä pigmenttipäällysteiden käytöstä juurikaan ole muuta tutkimusta. Toisaalta tavallisiin painopapereihin tarkoitettuja päällysteitä ei ole suunniteltu painettua diagnostiikkaa ajatellen. Tässä projektissa käytettiinkin tavallisten päällystyspigmenttien sijaan kokeellisia erikoispigmenttejä, sekä moninaisia sideaineita, joista kiinnostavimmaksi osoittautui mikrofibrilloitu selluloosa.
Mikrofluidinen painettu diagnostiikka tarkoittaa testejä, jossa pienen nestemäisen näytteen, esimerkiksi pisaran järvivettä, virtausta paperissa tai muussa huokoisessa alustassa ohjaillaan erikoismusteilla painetuilla kuvioilla. Tällöin näyte voi esimerkiksi reagoida järjestyksessä testissä tarvittavien eri kemikaalien kanssa, tai näytteen ainesosia voidaan erotella ja konsentroida analyysin tehostamiseksi. Teknisesti nesteen ohjailu perustuu tavallisesti materiaalin huokosten pintakemian paikalliseen muokkaamiseen hydrofobisoivalla (vettä hylkivällä) materiaalilla.
Functional Wicking Surfaces -projektin osana suunniteltiin ja valmistettiin kaksi erilaista painettavaa testiä. Ensimmäisessä testissä mitattiin vesinäytteen glukoosipitoisuutta paljaalla silmällä havaittavan värinmuutoksen avulla [1]. Glukoosipitoisuuden mittaus eri menetelmin on laajalti tutkittu aihe, sillä esimerkiksi veren, syljen tai virtsan glukoosipitoisuus antaa hyödyllistä tietoa kohteen terveydentilasta. Toisessa testissä, joka kehitettiin yhteistyössä Helsingin yliopiston farmasian laitoksen tutkijoiden kanssa, mitattiin metabolisten entsyymien aktiivisuutta fluoresenssin avulla [2]. Tällaisella testillä voitaisiin lääkeainetutkimuksessa selvittää uusien lääkeaineiden eräitä mahdollisia haittavaikutuksia hyvin pienistä näytteistä. Molemmat testit ovat puhtaasti prototyyppejä, joiden tehtävänä oli osoittaa pigmenttipäällysteiden soveltuvuus diagnostiikka-alustoiksi periaatetasolla, eivätkä ne ole suoraan siirrettävissä massatuotantoon.
Oma erityinen tutkimusalueeni projektissa oli pigmenttipäällysteiden pintakemiaa muokkaavien erikoismusteiden kehittäminen, mustesuihkutulostus ja testaaminen. Ensimmäisen musteryhmän muodostivat hydrofobisoivat musteet, joilla voidaan ohjata mikrofluidisesti vesipohjaisten näytteiden kulkua päällysteessä [3]. Toisen ryhmän muodostivat pintavarausta muokkaavat polyelektrolyytti-musteet, joilla voidaan erottaa tai konsentroida näytteen näytteistä monia kemiallisia ainesosia, riippuen niiden sähköisestä varauksesta liuoksessa [4–6]. Molempien ryhmien musteilla saatiin aikaan odotettuja vaikutuksia pigmenttipäällysteillä, kun niitä tulostettiin riittävän suuria määriä.
Erityisvaatimuksena painetun mikrofluidisen diagnostiikan valmistamisessa on, että painetun musteen ja sen toiminnallisten aineosien täytyy tavallisesti tunkeutua paperin tai pigmenttipäällysteen koko syvyyteen halutun toiminnallisuuden tuottamiseksi; esimerkiksi hydrofobisten musteiden kanssa puutteellinen kattavuus syvyyssuunnassa johtaa siihen, että nestemäinen näyte voi kiertää hydrofobisen kuvion alakautta. Tähän vaaditaan huomattavasti suurempia määriä mustetta kuin graafisessa painatuksessa, jossa pigmenttien ja väriaineiden halutaan jäävän lähelle paperin pintaa täyteläisen painojäljen muodostamiseksi. Mikrofluidisen toiminnallisuuden muodostamiseksi mustetta voidaan enimmillään joutua painamaan määrä, joka riittää alustan huokosten täyttämiseen täyteen syvyyteen; tällöin kuitenkin pitää olla varovainen, sillä liiallinen määrä mustetta johtaa kuvion leviämiseen ja huonoon painolaatuun. Vastaavasti itse painettavan alustan pitäisi olla paksuudeltaan hyvin tasalaatuinen.
Painettu diagnostiikka tarjoaa tulevaisuudessa mahdollisuuden helposti mukana kuljetettavien, ilman lisälaitteita toimivien ja vain pienen määrän näytettä vaativien testien valmistamiseen. Erilaiset terveydenhuoltoon liittyvät sovellukset ovat iso potentiaalinen sovellusalue, mutta myös ympäristön tarkkailuun suunnitellut testit voivat olla hyödyllisiä arkielämässä: esimerkiksi moni lomailija voisi olla kiinnostunut testaamaan uima- tai kaivoveden laadun. Helppokäyttöisten, luotettavien ja kustannustehokkaasti valmistettavien testien kehittäminen vaatii kuitenkin laaja-alaista ja pitkäjänteistä työtä.
[1] Jutila, E., Koivunen, R., Bollström, R., Gane, P., 2020. Fully inkjet-printed glucose assay fabricated on highly porous pigment coating. Microfluidics and Nanofluidics, 24(6), artikkeli 40.
[2] Jutila, E., Koivunen, R., Kiiski, I., Bollström, R., Sikanen, T., Gane, P., 2018. Microuidic Lateral Flow Cytochrome P450 Assay on a Novel Printed Functionalized Calcium Carbonate-Based Platform for Rapid Screening of Human Xenobiotic Metabolism. Advanced Functional Materials, 28(31), artikkeli 1802793.
[3] Koivunen, R., Jutila, E., Bollström, R., Gane, P., 2016. Hydrophobic patterning of functional porous pigment coatings by inkjet printing. Microfluidics and Nanofluidics, 20(6), artikkeli 83.
[4] Koivunen, R., Jutila, E., Bollström, R., Gane, P., 2017. Inkjet printed polyelectrolyte patterns for analyte separation on inherently porous microfluidic analytical designs. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 522(1), s. 218-232.
[5] Koivunen, R., Jutila, E., Bollström, R., Gane, P., 2019. Investigating chromatographic interactions in porous pigment coatings between inkjettable polyelectrolytes and model colorant solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 579(1), artikkeli 123676.
[6] Koivunen, R., Bollström, R., Gane, P., 2020. Inkjet jettability and physical characterisation of water-ethanol solutions of low molecular weight sodium polyacrylate and poly-diallyl dimethyl ammonium chloride (polyDADMAC). AIP Advances, 10(5), artikkeli 055309.
Media-alan tutkimussäätiö myönsi Koivuselle henkilökohtaista apurahaa 4.2.2020 artikkelipohjaisen väitöskirjan yhteenveto-osion laatimiseksi.
