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2018年最新可供制造微流控芯片材料介绍

Tips:汶颢可提供所有材质微流控芯片设计和加工。

2018年最新可供制造微流控芯片材料介绍

硅和玻璃是首先用于微流体应用的原始材料,但随着时间的推移和新技术的进步,聚合物基材,复合材料或纸张等新材料被用作微流体芯片的材料。为了研究目的,所使用的材料通常优先考虑设备的多功能性和性能,而在商业化中,首先将产品成本,可靠性和易用性放在首位[1]。此外,所使用的每种材料自然对应于特定的微制造战略和设备的某些本特性。因此,制造微流控芯片的材料在微流控技术中起着重要作用。

微流控芯片的材料可以分为三大类:无机,聚合物和纸张。

1.微流控芯片制造材料: 无机材料

硅微流控芯片

硅微流控芯片

用于微流体的第一种材料是硅,尽管它很快被玻璃和聚合物取代。硅因其耐有机溶剂,易于金属沉积,高导热性和稳定的电渗迁移率而首次被选中。然而,这种材料由于其硬度并不易于处理,因此不易于制造活性微流体部件,例如阀门和。制造过程中使用的危险化学品也需要保护设施。为这些问题增加了高成本,所有这些缺点使得硅成为用于构建微流体芯片的不吸引人的材料

对红外线透明,硅是一种不透明的材料,因此无法透视。因此,荧光检测或流体成像将很难执行,这个问题很容易通过透明材料如聚合物或玻璃中来克服。硅表面化学基于硅烷醇基团(-Si-OH),这是一种发展良好的化学方法,因此使用硅表面的化学修饰可能是减少非特异性吸附或改善细胞生长的一种方法。它的弹性模量非常高(130-180GPa),使用硅的器件通过湿法/干法蚀刻或添加剂法(如金属或化学气相沉积)制造[。基于液滴的聚合酶链式反应 (PCR)或用于无标记心脏生物标志物检测的纳米线是硅微流控芯片的可能应用。

玻璃微流控芯片

玻璃微流控芯片

在最初关注硅之后,玻璃是选择用于构建微流控芯片的材料。用于气相色谱和毛细管电泳(CE)微通道的玻璃或石英毛细管已经在其整合到微流体领域之前使用。光学透明和电绝缘,玻璃是一种无定形材料。这种材料通常采用标准光刻法或湿法/干法蚀刻法进行处理。除非采用特殊的蚀刻技术,否则蚀刻的玻璃通道具有圆形的侧壁。

玻璃与生物样品兼容,它也是不透气的材料,具有相对较低的非特异性吸附。由于气体可以通过通常呈现封闭通道和腔室的玻璃碎片,所以该材料不能用于长期细胞培养。玻璃芯片的一个主要应用是毛细管电泳CE)。这种便宜的方法比标准的CE更方便,因为它更容易设置并行分析,并且它还可以通过直接利用电渗流来提供无阀注射,这可以在几秒内分离出分析物。

其他典型应用包括芯片反应液滴形成,溶剂提取和原位制造。最后,由于其高导热性和表面上的稳定的电渗迁移率,玻璃制成的微通道提供比其他材料更好的性能。就像硅一样,玻璃改性化学是以硅烷醇为基础的。同样,由于其硬度和制造成本高,微流体玻璃应用受到很多限制(保护设施,粘接的超洁净环境,制造过程中所需的高温和高压等)。这些限制是开发替代性低成本芯片材料的原因,其可以容易地制造并且适用于更广泛的生物应用。

陶瓷微流控芯片

LTCC技术在小批量,高性能(军用,空间)和大批量,低成本(便携式无线,汽车)应用方面都已经很成熟。LTCC具有良好的电气和机械性能,可靠性高。采用LTCC技术制造的精密微机电系统和微型光电机电系统集成了电子测量,控制和信号调理电路。此外,电气,光学,气体和流体网络系统在一个封装中实现。

由陶瓷制成的微流体装置通常使用低温共烧陶瓷(LTCC)。这种陶瓷是一种基于氧化铝的材料,可以进行图案化,组装,然后在高温下加热。已经证明LTCC装置呈现低非特异性吸附。

LTCC结构的优点是价格低得多,开发时间也短。LTCC技术还允许将加热器,传感器和电子设备(控制和测量电子设备以及光检测系统)集成到一个模块中,这是该技术相对硅,玻璃和聚合物技术的主要优势,因为它简化了测量系统。厚膜材料不仅可以制造封装中的导电路径网络,还可以制造其他电子元件,传感器和微系统。

陶瓷微流控芯片

LTCC制造的微流体装置(来自Nge等,2013)

a)多层堆叠以创建丝网印刷的金/ LTCC微通道器件。

b)带有边缘连接器的微通道设备的照片。

c)设备的俯视图。

d)显示四个金电极的微通道的横截面图。图d中芯片的宽度不是按比例绘制的。

2.微流控芯片制造材料:聚合物

几年后,基于聚合物的芯片在硅/玻璃芯片之后引入。各种各样的聚合物在选择具有特定性能的合适材料方面具有很大的灵活性。与无机材料相比,聚合物易于使用且价格便宜,因此它们是目前最常用的微芯片材料。根据它们的物理性质,聚合物可分为弹性体,热塑性塑料和热固性塑料,前两组更多地用作微流控芯片的材料

弹性体由通常缠结的交联聚合物链组成; 当外力施加时,它们可以伸展或压缩,并且在外力撤回时恢复到原始形状。它们表现出较弱的分子间作用力,大部分时间它们与其他材料相比具有较低的杨氏模量和较高的失效应变

PDMS微流控芯片

PDMS微流控芯片

PDMS已被广泛用于微流体快速成型,因为它很容易制造,它与玻璃和PDMS基材牢固结合,具有良好的光学透明性和弹性体性能。

由于其合理的成本,快速的制造和易于实施,PDMS是研究实验室中使用的最常见的微流体材料。微流控模具通过传统的机械加工或光刻方法形成,PDMS微结构在这些模具上铸造和固化。复杂的微流体设计也可以通过堆叠多个层来创建。

 

PDMS具有低弹性模量(300-500 kPa),使其适用于阀门和泵的制造。其气体渗透性对于细胞研究中的氧气和二氧化碳转运是有利的,但是气体通过PDMS通过气泡形成可能是有问题的。由于其内在疏水性原因,PDMS易受非疏水性分子的非特异性吸附和渗透。PDMS的化学修饰可以解决这些问题,实际上等离子体暴露  会使暴露的PDMS表面亲水化。然而,经过这种处理后,新形成的亲水表面不稳定,可在之后的某个时候很快回复到原来的疏水形式。

当与非极性溶剂接触时吸收和溶解疏水性分子引起其膨胀的倾向也是PDMS疏水表面的后果之一。此外,生物大分子如蛋白质在通道壁上的吸附也是由PDMS制造的微流体装置的常见问题。

热固性聚酯(TPE)   微流控芯片

热固性聚酯(TPE)   微流控芯片

TPE微通道的SEM图像

不可溶并且对蠕变具有高度抗性,热固性树脂是在交联时链不可逆地结合在一起的聚合物[43]。他们可以轻松快捷地制造光学透明且价格便宜的聚合物。它们不会熔化,不会与某些溶剂一起膨胀,并且它们不透气,这使得它们不适用于长期细胞培养。

它们的高机械强度和物理强度是由于高度交联的聚合物结构,并且在加热时硬化。热固性材料的一个主要优点是使用光聚合作用的3D微制造。由于其高刚性,热固性材料不适合制造阀门,而且由于其高成本,它们在微流体中的应用受到限制。

热固性聚酯(TPE)是微流体中最常用的热固性材料之一。它是可见光下的透明材料,比PDMS具有更高的弹性模量(1-100 MPa),但比典型的热固性塑料(> 1 GPa)低。TPE是由聚酯和苯乙烯通过UV或热聚合形成的热引发材料。这种疏水性材料需要通过缓冲添加剂或化学反应进行表面改性,以使水容易流过微流体通道。尽管氯化溶剂对许多其他溶剂具有抗性,但它可以溶解TPE。最后,制造类似于由PDMS制成的TPE阀也是可能的。

热塑性聚合物 

热塑性聚合物

热塑性塑料是通过达到玻璃化转变温度(Tg)多次重塑的材料。它们是高度交联的聚合物,在冷却后可以保持其形状,它们也适用于微加工工艺。光学透明的聚合物,热塑性塑料能够抵抗小分子的渗透,并且比弹性体更硬。几乎不透气,其密封的微通道不适合长期细胞培养。另外,热塑性阀门由于其刚性而难以制造。

 

热塑性塑料通过热成型来制造,该工艺需要金属或硅中的模板以在高温下使用。它允许以高速度和低成本生产数千个复制品,并且对于商业生产而言是优异的,但对于原型使用而言并不经济。使用传递成型的快速原型制造使用PDMS作为复制中间体,并使微图案从容易制备的光刻胶转移到热塑性塑料上。该技术仅限于Tg低于150°C的热塑性塑料,因为PDMS在较高温度下成型期间释放气体

PDMS不同,热塑性塑料不能与其他表面保形接触。它们的表面可以根据它们的应用通过动态涂覆或表面接枝进行改性。对于热塑性塑料,共价改性表面通常比PDMS更稳定。例如,可以很容易地将电极集成到柔性电路中,热塑性塑料表面在用氧等离子体处理后可以保持长达几年的亲水性。

聚苯乙烯(PS)  微流控芯片

聚苯乙烯(PS)  微流控芯片

聚苯乙烯(PS)是光学透明的,生物相容的,惰性的,刚性的,并且其表面可以容易地功能化。它的疏水性表面可以通过各种物理和化学手段,包括电晕放电,气体等离子体和辐射而变得亲水。然而,用这种聚合物实现复杂芯片所需的昂贵设备(注射成型,热压印)的必要性可能是其使用的障碍。PS适用于批量生产过程,因此它可以促进将当前使用的制造过程转换为微型系统。

一些PS微流控芯片(原型)利用了热塑性PS片材的收缩性能。事实上,加热后,蚀刻的微流体通道变得比工具更薄更深。这种技术比软光刻技术更快,包括同步快速键合步骤,因此可以在几分钟内完成复杂的PS多层微芯片。PS是细胞培养中最常用的材料,主要是由于其商业可用性和有趣的价格。这种聚合物已成为细胞培养研究的核心,并且由于其广受欢迎,科学家们正在寻找除细胞生物测定之外的潜在用途。

由于其在该领域的普及,微流控芯片(器官芯片)上的细胞培养可能是潜在的应用。有可能修改PS表面以使细胞粘附和生长,同时也防止气泡形成,并且在这种程度上材料可以在结合之前用氧等离子体处理。然而,等离子体处理可以通过改变PS表面的化学组成来改变结合强度。或者,用掩模层保护顶部表面也是一种选择。另一种方法可能包括在细胞接种前用细胞外基质蛋白预涂微通道,以促进细胞粘附。PS微流控芯片的使用也存在其他限制,例如热粘合步骤遇到的困难

聚碳酸酯(PC)  微流控芯片

聚碳酸酯(PC)是由双酚A和光气聚合产生的耐用材料,导致重复的碳酸酯基团。由于其在可见光下的透明度和非常高的玻璃化转变温度(〜145°C),PC适用于DNA热循环应用。PC的其他优点是成本低,抗冲击性强,吸湿性低,加工性能好。然而,PC对某些有机溶剂和紫外线吸收能力较差。

 

如前所述,PC是生物医学研究和生物分析中一系列微流体应用的首选材料,包括聚合酶链反应(PCR)。这种聚合物还提供了一个方便的替代方案,基于PDMS中用于制造多层器件的平版印刷和成型。

尽管一些科学家成功地制造了PC芯片,但他们使用了热粘合方法,但不幸的是,即使温度稍低,也不能提供良好的粘合。而且,当温度高到足以确保粘合时,热粘合还显着改变通道的几何形状。

PC微特征通过热压印制造,随后使用热粘合对两层进行退火。可以构建蠕动PC泵,这种材料还可以在装置板上创建连续流动PCR。由聚碳酸酯制成的微流体盒能够进行样品裂解,酶扩增,核酸分离,扩增子标记和病原体检测。

完全由PC板制成的微流体电化学生物传感器芯片可以制造用于微量流动注射电流测定葡萄糖。为了为这种特定的应用构建PC芯片,微通道网络被压印在PC板上。然后使用光导向无电镀技术在PC盖片上制备微金膜电极基底。这种开发出的具有PC的微流动注射生物传感器系统可成功应用于药物注射中葡萄糖含量的测定。

聚碳酸酯微流体盒,其中袋填充染料更好的可视化,他们被设计来存储各种试剂和缓冲区

聚碳酸酯微流体盒,其中袋填充染料更好的可视化,他们被设计来存储各种试剂和缓冲区

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)  微流控芯片

PMMA是一种便宜的聚合物,它是普通塑料材料中疏水性最差的聚合物。PMMA是微流体系统中常用的材料,由于其价格低廉,机械性能刚性好,光学透明度极佳,并且与电泳兼容,因此它对于一次性微流控芯片特别有用。这种聚合物还具有其他特性,如易于制造和改性。

 

由于其能够在高温下分解成甲基丙烯酸甲酯(MMA),因此PMMA是制备“绿色芯片”的理想材料,可重复使用。大多数情况下,PMMA微流控芯片通常由通道板和覆盖板(或覆盖膜)组成,需要粘合以形成微流控芯片,其聚合物材料可通过基于MMA原位聚合的方法获得模具。

PMMA中的微流体系统很容易通过CO2激光微加工产生,这是控制微结构尺寸的合适方法。此外,还开发了多种高保真PMMA微型器件,包括热压印,溶剂压印,热粘合,注塑和激光烧蚀。PMMA已被用作大量微流体装置的底物,包括混合分析芯片,DNA测序仪和电泳芯片。然而,迄今为止几乎没有报道PMMA阀门或泵。

键合技术在基于PMMA的微流控芯片的制造中是至关重要的,并且热压键合是最常用的方法。其他粘接技术可以用于PMMA,如微波粘接,热熔粘接和粘接。为了防止通道在键合过程中发生崩塌,PMMA微流控芯片已经通过使用特定的溶剂条件和牺牲材料(如石蜡)开发出来。

典型的纤维电泳微芯片的照片和玻璃纤维包装的微通道的横截面的SEM图像。

典型的纤维电泳微芯片的照片和玻璃纤维包装的微通道的横截面的SEM图像。

聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)  微流体芯片

聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)是一种与PDMS具有共同特性的材料,例如水稳定性,光学透明度和低背景荧光。然而,与PDMS相比,它表现出更少的非特异性吸附,并且对小疏水分子的渗透具有更大的抗性。

这种聚合物可以被认为是一种方便的材料,因为聚合反应可以在室温下迅速发生并且不需要太多的能量。考虑到生物惰性,这种聚合物具有良好的和可变的机械性能,这可以解释它经常用作组织工程支架。Poly-PEGA可用于构建强大的微流体阀门和不同形状的泵用于小体积测定。由聚-PEGA制成的微流体装置通常使用与聚二甲基硅氧烷类似的制造工艺来制造。尽管poly-PEGDA弹性模量(〜0.1GPa)对于自陷阀门来说过高,但它在锁阀设计中具有很强的应用潜力。

由于其对非特异性吸附的抗性,聚-PEGA可以广泛用于小体积分析和生物医学研究,因为它是生物相容性聚合物。此外,这种材料不是免疫原,也能抵抗蛋白质吸附,但它不允许细胞粘附。

三层聚-PEGDA阀的示意图

三层聚-PEGDA阀的示意图

TEFLONS 制成的微流控芯片  :全氟化合物(PFEP / PFA / PFPE) 

所有具有优异耐溶剂性的聚四氟乙烯芯片的制造和使用相当新。特氟龙对化学品和溶剂极其惰性,它们还具有不粘性和防污性能。它们光学透明,足够柔软以制造隔膜阀,并适度透气。虽然它们的熔化温度很高(超过280°C),但可以通过高温热成型和热粘合材料生成具有纳米分辨率的复杂微结构,从而形成各种微流体器件。此外,由全氟化合物制成的微结构特征保持其弹性体特性高达200°C 。

全氟化合物的惰性使它们对微流体有吸引力。事实上,材料表面不仅是疏油的,而且是疏水的。大多数氟弹性体是多氟聚醚,有时被描述为“液体特氟隆。两种特殊的全氟化聚合物,全氟烷氧基(Teflon PFA)和氟化乙烯丙烯(Teflon FEP)被用于构建微流体装置和结构。这些材料是可热处理的,并且可以热结合到其他材料上以产生复合材料,例如用于构建闩阀装置的玻璃-FEP,其甚至抵抗高腐蚀性溶液。但是,全氟化材料与玻璃和类似基材的结合往往非常脆弱。

PFA是一种稍微不透明的全氟化合物,其光学透明度仍然允许使用荧光和细胞成像。作为制造廉价,耐溶剂和可重复使用的微流控芯片的最有前景的材料之一(可以多次使用而不会受到污染风险的再循环),PFA需要高温热压花(〜260°C)来模制器件,因此使用高密度和高密度交联的PDMS模具。由于其传统热塑性加工方法的可熔融加工性,光学透明性,足够的机械强度,耐高温性,有机溶剂,腐蚀和应力开裂以及聚合物块体的分子吸附和分子浸出,这是一种吸引人的材料到解决方案。

由于其众多吸引人的特性,一些微流体装置使用聚氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯(PFPE-DMA)。PFPE-DMA在固化之前在室温下为粘稠液体,表现出低表面能和高耐久性和韧性[115]。此外,这种材料具有极强的耐化学性,具有高气体渗透性和低毒性[116]。 多氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯可用于制造类似于PDMS中的阀门,并且在杨氏模量为3.9 MPa的有机溶剂存在下,其膨胀较小[117]。虽然这个数值比PDMS高10倍,但仍然有可能将这类材料用于阀门应用[118]。FPE-DMA可以用小至50nm的分辨率进行成型,并且UV固化的PFPE可以与PDMS牢固结合[119]。

可聚合的PFPE有可能将微流体装置的使用大大扩展到各种新的化学应用中 [120]。凭借光固化能力的附加优势,微流控装置的生产时间可以从几个小时减少到几分钟。类似于PDMS中的阀门可以用多氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯制造[121]。此外,PFPE通道没有溶胀迹象,因为溶液易于通过它们,与PDMS不同,PFPE与DNA合成反应中涉及的所有溶剂相容。该器件设计中的通道特征间距很大,可以简化层对齐[122]。

所有这些Teflon微型器件在5天内显示出细胞相容性和良好的透气性[123]。与PDMS和PS相比,它们也具有较低的非特异性蛋白质吸附[124]。芯片的这种低成本和快速制造具有良好和便利的特性,可以极大地扩展和扩大微流体的未来应用。

聚氨酯(PU)  微流控芯片

聚氨酯(PU)  微流控芯片

聚氨酯(PU)弹性体的特点是具有高机械强度,弹性和良好的耐磨性[125]。聚氨酯已广泛用于各种应用,如人造心脏,主动脉内气囊,起搏器导线,心脏瓣膜或血液透析膜[126]。这类材料呈现疏水表面,基本上是防水的[127]。通过使表面更亲水可以改善聚氨酯的效用。已经进行了许多体内和体外研究以评估PU的细胞和组织反应,考虑其生物相容性以及其蛋白质吸附至关重要[128]。为了限制非特异性吸附,可以用亲水聚合物修饰表面[129]。

尽管存在各种表面改性方法,但是已经在PU的开放表面或膜上而不是在微流体通道内证实了这种改性[131]。微通道内部的表面修饰提出了一系列不同的挑战,例如由于修饰化学必须考虑的高表面体积比导致的试剂快速耗尽[132]。

传统上,溶剂成型技术如垂直浸渍,旋转芯轴和旋转板用于制造PU部件,如片材,膜和管道。旋转平板法用于制造PU薄膜和片材,而垂直浸渍和旋转芯轴用于制造圆柱形部件,如管[133]。然而,这些制造技术不适合复制微流体装置中存在的复杂和详细的微观特征[134]。

基于PU的微制造通常涉及注塑,压印,等离子刻蚀,牺牲材料和反应聚合,而这些方法不适合快速成型,因为它们使用高成本的中间模具和昂贵的制造设备[135]。此外,生产的基板是刚性的而不是透明的,这就是为什么溶剂浇铸更合适的原因,因为中间模具可以使用光刻法制造,制造设备成本低[136]。但是,生产的基材不透明,粘合性不好,很难与管材连接[137]。

微流控芯片

纸 基微流控芯片

纸是一种灵活的基于纤维素的材料,最近由于以下几个原因而成为有前景的微流体基质[138]:这种生物相容性材料是便宜的基质,可以通过组合物/制剂变化或通过表面化学来容易地进行化学修饰。在世界各地都很容易找到,纸张可以通过燃烧或自然降解来简单处理。然而,由于其机械性能和技术有限,纸张只能用于有限类型的应用。可用于生化分析以及医学和法医诊断。纸微流体中分析物的检测可以是比色法,电化学法,化学发光法和电化学发光法。但是,大多数纸张微流体分析装置依赖于比色检测。

可用于图案化方法的方法很多,它们定义纸微流体通道的宽度和长度,每种方法都有其自身的优点和局限性。例如,喷墨和固体蜡印可以实现轻松的图案定义和功能化。纸张多孔结构还允许流动,过滤和分离的组合。纸张在生物学上是兼容的,并且正常的白色背景为基于颜色的检测方法提供了对比。

水凝胶

水凝胶

微流体已经越来越多地涉及生物研究和生物模仿。类似于细胞外基质的水凝胶已被广泛用作各种应用的细胞支持物。与更常用于研究组织水平细胞培养的PDMS装置不同,水凝胶装置的应用大多与细胞相关[139]。可以在水凝胶中制造微通道,用于输送溶液,细胞和其他物质[140]。水凝胶是亲水性聚合物链的3D网络,位于水性介质中,主要由水组成。它们是高度多孔的,可控制的孔径,允许小分子或甚至生物颗粒扩散[141]。

营养和氧气在凝胶中的扩散不足以支持厚层细胞培养; 细胞可能沿着梯度行为不同,大部分时间坏死开始发生在几百微米的深度[142]。将微流体通道引入凝胶基质可实现体内快速传质,提供与自然分叉血液系统类似的功能,从而实现细胞的大规模3D培养[143]。

由于大分子尺度上的低密度(和低强度),与其他聚合物(纳米尺度)相比,水凝胶在微细加工中仅支持较低分辨率(微米级)[144]。另外,细胞封装的水凝胶可能与某些微制造工艺不兼容[145]。为了创建微通道,采用两种方法。一种是直接书写方法,包括LDW和移动喷嘴凝胶溶液的凝胶化,其可以产生低速的任意3D结构。另一个涉及两个步骤:通道的生成和通道密封[146]。

大多数水凝胶在温和条件下在水溶液中凝胶化; 因此,它们可以由几乎任何不溶于水的材料制成的主模制成[147]。与易于成型相比,这种结合具有挑战性。通常,水凝胶通常不会与简单的接触粘连。已报道的粘合策略包括在粘贴之前通过加热或化学物质熔化薄层粘合表面; 在界面处使用第二连接剂[148]。

3.微流控芯片制造材料: 复合材料

环烯烃共聚物(COC)  微流控芯片

环烯烃共聚物(COC)  微流控芯片

无定形材料,环状烯烃聚合物(COP)是一类基于环烯烃单体和乙烯的聚合物。有许多COP材料可以在市场上买到,但品牌名称不同。由于聚合物由多于一种类型的单体制成,它们通常被称为环烯烃共聚物(COC)。它们通过环状单体与乙烯的链共聚合,或通过各种环状单体的开环聚合,随后氢化而合成。

环状烯烃共聚物是一种新型聚合物,与目前已经使用相当长时间的常用热塑性塑料如PC和PMMA相比,它具有令人感兴趣的性能[149]。COC制造相对容易(成型性好),是一种低成本材料[150]。这就是为什么它被广泛用于微流体,除了其创新的特性,包括卓越的光学透射性,生物相容性和高耐化学性[151]。这类材料具有低吸湿率,高防水性和耐热性[152]。

然而,COC也存在一些潜在的缺点,如脆性和低热扩散性,这可能会限制其在某些应用中的使用[153]。这种材料也可能受到非极性有机溶剂如甲苯和己烷的攻击。此外,COC微流体装置需要进行表面修饰以分离疏水性化合物,因为该物质具有强疏水性相互作用[154]。为了减少吸附(蛋白质或其他化合物),COC芯片表面可以使用聚丙烯酰胺的紫外引发接枝来涂覆,例如[155]。对微通道内壁涂层也保持低电渗迁移率,同时增加通道壁的亲水性[156]。

使用环烯烃共聚物作为模塑材料,成型温度和压缩力越高,COC微流控芯片厚度越小[157]。至于在COC上形成图案,图案转印保真度与成型温度和压缩力无关[158]。由器件表面的机械应力引起的白化是由于模制温度和模具/器件组件[159]的冷却速率引起的。最后,层压设备层间的结合强度与层压温度有关[160]。

/聚合物混合 微流控芯片

纸/聚合物混合 微流控芯片

微流控免疫测定装置具有有趣的特征,例如高表面体积比和微升体积的微通道,然而导致分析时间从几小时到几分钟的显着降低[161]。为解决传统微孔板的问题,微孔板式微流体装置已经开发用于免疫分析,但即使如此,它们也必须适合于生物分析。它们主要用于酶联免疫吸附试验(ELISA),这是最广泛使用的实验室疾病诊断方法之一。在低资源环境下进行ELISA是由长时间的孵育,大量的贵重试剂和设备齐全的实验室所限制的[162]。

小型化纸/聚合物杂交微流控微孔板(PMMA,PDMS等)是为了解决上述问题并降低成本而开发的[163]。纸混合设备基于纸微流控芯片概念,同时纠正其缺点[164]。它们可以快速固定生物分子,并提供高流量控制性能,这是纯粹的纸基设备无法操作的特点[165]。例如,一些PDMS /纸杂化微流体系统已经被开发出来,并且纸张有利于将基于氧化石墨烯的纳米传感器集成在芯片上,而没有任何复杂的表面处理[166]。

这些混合设备显示出高通量,并促进了护理点疾病诊断[167]。其众多优点之一是避免使用聚合物(PEI或APTES处理,CNT官能化)时强制进行复杂的表面改性[168]。在这个意义上,快速抗体/抗原固定和高效洗涤是通过在流通微孔中使用多孔纸进行的[169]。微通道可以将试剂转移到多个微孔中,方法更加方便和准确,可以反复手动移液或使用昂贵的机器人[170]。此外,比色ELISA的结果可在一小时内直接观察到,而无需荧光显微镜等测量仪器[171]。

微流控芯片制造材料:结论

自推出以来,微流体技术一直在与技术同步发展,微流体应用领域也在向其他许多学科扩展。生物学和医学应用与其他领域一起是当前研究的主要焦点。就材料和功能而言,虽然玻璃和硅具有重要用途,但聚合材料已成为该领域的首选材料,并且各自具有各自的优点和缺点。虽然PDMS仍然是更常用的微流控材料基板,但是新材料和复合材料呈现出令人感兴趣的特征,从而产生更适应大批量生产,价格更低,适应性更强的产品。事实上,可靠的材料要适应该设备的意图。

微流体学是多学科的,需要不同领域,工程学以及物理和生物科学之间的持续协调,以不断改进和发现哪些优势完全超越缺点和问题。最后,一些材料被用于构建经济实惠的环保设备,这些设备可以在使用后丢弃,例如纸基微流控芯片。

微流控芯片材料特性