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2023-11-03
聚合物材料在微流控芯片技术中的应用
【摘要】：在硅/玻璃芯片广泛应用几年后，出现了聚合物基芯片，种类繁多的聚合物为选择具有特定性能的合适芯片材料提供了更大的灵活性。与无机材料相比，聚合物易于获得，且价格便宜，因此目前已成为最常用的微芯片材料。
在硅/玻璃芯片广泛应用几年后，出现了聚合物基芯片，种类繁多的聚合物为选择具有特定性能的合适芯片材料提供了更大的灵活性。与无机材料相比，聚合物易于获得，且价格便宜，因此目前已成为最常用的微芯片材料。根据其物理性质，聚合物可分为弹性体、热固性塑料、热塑性塑料。
2.1.2.1 弹性体
弹性体通常由交缠的交联聚合物链组成。在施加外力的情况下，它们可以拉伸或压缩；一旦外力撤回，它们可以恢复原始形状。微流体中最流行的弹性体是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS的芯片显著优势是其微制造简便易行且成本低。液态PDMS预聚物在40～70℃下进行热固化，可以用光致抗蚀剂模板以纳米级分辨率进行浇铸，因此与硅或玻璃模板相比，它更易于制备且成本低。其低表面张力能极大地促进固化后从模板上剥离，体现在两方面：一方面，只需接触即可将PDMS芯片密封到另一片PDMS、玻璃或其他基板上；另一方面，可以通过等离子体氧化PDMS表面或使用PDMS薄层作为胶水将PDMS永久结合到PDMS、玻璃或硅上，这也很方便。进一步可以通过简单堆叠许多带有通孔的PDMS件连接不同的层而构建多层通道结构。除了制造上的便利，PDMS成为实验室中最受欢迎的材料的原因还有其优异的高弹特性。Quake等人开发了基于两层微通道的集成阀，它允许以1×106阀/cm2的高密度进行阀集成，并实现了并行且复杂的片上操作[6]。目前，该阀门在微流体领域中使用广泛。
与玻璃、硅和其他硬质材料(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC))相比，PDMS具有透气性，这对在密封微通道中进行长期细胞培养至关重要。PDMS表面适合于细胞培养，为微芯片提供了可控的微环境，比如可以轻松实现梯度和振荡及复杂的培养基更换。PDMS设备已广泛应用于细胞培养、细胞筛选和生化分析等生物相关研究，并且PDMS微流控芯片具有的处理微升至微升容量的能力使其在单细胞分析中表现出色。尽管PDMS颇受欢迎，但它也有明显的局限性。在分子水平上，PDMS是覆盖有烷基Si-O主链的多孔基质，这种结构允许气体渗透，从而促进细胞培养。但是，这也带来了一些重要问题：与有机溶剂不相容，疏水小分子被吸收到通道壁中引发膨胀；通道壁吸附生物分子；以及由于通道壁的水蒸发而产生的溶液浓度变化(此特性已被用于蛋白质结晶)等影响使其无法支持某些定量实验。值得注意的是，普通PDMS上的细胞行为可能与刚性基材或纹理或改性PDMS上的细胞行为不同[7]。
2.1.2.2 热固性塑料
在引入微流体之前，热固性材料(如SU-8光刻胶和聚酰亚胺)已经用于负性光刻胶。热固性分子在加热或辐射时发生交联固化，形成一个刚性网络。热固性材料一旦固化就无法重塑。这些材料光学透明，即使在高温下也是稳定的，并耐受大多数溶剂。热固性材料的优势在于可以使用光聚合技术进行真正的3D微加工，并且强度高，因此可以制造高纵横比和独立式结构。通过适当的键合方法，可以使用热固性材料制造微流控芯片[8]。但是热固性塑料的刚性大，不适用于隔膜阀的制造，并且成本高。(www.chuimin.cn)
2.1.2.3 热塑性塑料
与热固性塑料不同，热塑性塑料可以在固化后重塑。热塑性塑料在玻璃化转变温度(Tg)时会明显软化，进而可在该温度附近加工，并可以通过重新加热进行多次重塑，有利于成型和黏合。可制作微芯片的典型热塑性塑料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)。通常，这些材料的溶剂相容性比PDMS略好，对醇的抵抗力中等，但与其他大多数有机溶剂物质不相容，如酮和烃。由于热塑性塑料几乎不渗透气体，因此其密封的微通道和微腔室不适用于长期细胞研究。与弹性体和热固性塑料不同，热塑性塑料通常以固体形式购买，配合金属或硅制成的模板，在高温下通过热成型制造。热成型可以高速率和低成本生产数千个复制品，适于商业生产，但对于小规模原型试验而言不够经济。
根据其应用，可以通过动态涂层或表面接枝对热塑性塑料的表面进行改性。对于热塑性塑料，共价改性的表面通常比PDMS更稳定。例如，在用氧等离子体处理之后，热塑性塑料材质的芯片的表面可以保持较长时间亲水性。而且，热塑性塑料材质的芯片可以很容易地与用于柔性电路的电极集成，进而构建比如通过电润湿处理液滴的数字微流控技术。
近年来，可热处理的全氟化聚合物(Teflons，特氟龙)被用于微流体结构，如全氟烷氧基(Teflon PFA)和氟化乙丙烯(Teflon FEP)。所有Teflons对化学药品和溶剂都是极度惰性的，显示出其与有机溶剂出色的相容性，同时具有不黏合、出色的防污性能以及细胞培养适应性。更重要的是，它们是光学透明的，足够柔软以制造隔膜阀，并且对气体具有中等渗透性。它们的熔化温度很高(超过280℃)，但通过高温热成型技术，可以在其中产生具有纳米分辨率的精细微结构，并将它们热键合以形成各种微流体装置。
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2023-11-03
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