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PDMS在微流控领域中的作用

当涉及微流体或微加工时,几乎每个人都想到PDMS或聚二甲基硅氧烷。自1998年George Whitesides首次将PDMS引入微流体技术以来,PDMS已成为首选的主要材料,并且在微流体技术中起着至关重要的作用。本文回顾了PDMS的一些优势以及PDMS在微流体技术中的作用。

1.PDMS材料特性

PDMS属于有机硅家族,具有一些独特的功能,这些功能已使PDMS成为微流体领域最理想的材料。透明性,生物相容性,柔韧性(杨氏弹性模量约为1-3 MPa),高气体渗透性,低介电常数,低表面张力和低溶解度是PDMS的一些主要特性。

2.PDMS封合方式

PDMS的优势源于其在软光刻方面的能力。首先,将PDMS基础单体与其固化剂充分混合,然后对该预聚物进行脱气以除去所有气泡,最后将其倒入模具中。可以通过诸如光刻的常规方法或3D打印新技术来制造模具。无论模具类型如何,PDMS都可以从宏观到纳米复制模具上的特征。固化并从模具上剥离PDMS复制品后,PDMS零件应通过平坦的表面密封。在这里,PDMS制造的另一个优势开始发挥作用。封合PDMS复制品的技术多种多样,例如共形接触,物理粘合,真空粘合,氧等离子体键合,电晕表面活化, flame bonding, wet-bonding,粘合剂键合。这些方法中有些是可逆的,有些是不可逆的,可以根据应用选择。在大多数这些技术中,无需使用化学或溶剂来实现密封。PDMS与PDMS基材或其他基材的无化学或无溶剂粘合消除了对测试样品造成化学污染的任何机会。

3.PDMS表面改性处理方法

PDMS软光刻技术使研究人员能够制造出具有多层PDMS的器件。此过程称为“三明治”,这意味着可以将几层PDMS复制副本相互堆叠以构建更复杂的几何形状。在夹层中,可以在层之间添加其他组件,例如膜(多孔或无孔),以创建所需的设备。将这些膜粘合到PDMS的方法有多种:(1)首先可以通过硅烷分子(例如3-氨丙基三乙氧基硅烷)处理膜,然后将处理过的膜和PDMS都暴露在氧等离子体中并进行粘合,(2)如果不寻求高压,可以使用一些粘合剂(双面胶带或粘合剂)将膜附着到PDMS,以及(3)二氧化硅(SiO 2可以通过溅射将其涂覆在膜上,并使用氧等离子体将其结合至PDMS。

有很多策略可以调整PDMS的体积或表面性能。这使研究人员可以根据需要修改其PDMS设备。为了调整PDMS的整体性能,可以使用以下方法:(1)更改基料和固化剂的比例;(2)调整固化条件(温度和时间);(3)向PDMS中添加其他分子;(4) 以及在PDMS中添加诸如SiO 2之类的填料。调整这些参数会影响PDMS的整体性能,例如弹性,透明度,光热效应,折射率,电导率等等。P. Wolf等人撰写的评论文章,全面回顾了PDMS批量或表面改性的所有不同技术。在大多数情况下,PDMS的表面改性是微流体领域的关注领域。最常见的方法是使用氧气或空气等离子体,电晕放电以及紫外线或臭氧暴露,以甲基为代价将硅烷醇(Si-OH)基引入到PDMS表面(Si–CH 3)。这导致在表面上形成几纳米的薄层(也可能包含一些裂纹),并使水接触角降低到5°以下。当需要持久的表面改性策略时,可以通过聚多巴胺(PDA),各种聚乙二醇(PEG)衍生物或基于硅烷的分子来定制PDMS的表面。使用这些方法之一,可以轻松实现PDMS表面的疏水性或亲水性。文献中有各种各样的策略和技术可以调整PDMS的性能,这可以认为是PDMS优于其他用于微加工的材料的优势之一。

4.PDMS性能调整用法

调整PDMS的整体性能以提高其导电性已成为柔性和可拉伸电子学的研究主题。不同的填料(例如碳纳米管,石墨,银颗粒,纳米线和金纳米管)可添加到PDMS中,以达到更高的电导率。由于PDA导电,因此已将其涂在PDMS上以集成用于各种应用的电化学传感器。

5.PDMS在器官芯片中潜力

凭借器官芯片和微流体细胞培养平台的起源,PDMS吸引了来自其他领域的研究人员的更多关注。DMS的表面已经被PDA,明胶,胶原蛋白或纤连蛋白包被,以增强芯片内部细胞的粘附,增殖和生长。此外,PDMS的表面首先可以通过PEG或硅烷分子或PDA作为连接基进行修饰,然后将生物活性分子连接到连接基上,以实现特定的应用,例如细胞分化或检测分泌的生物分子。

PDMS可以渗透氧气和二氧化碳等气体。这导致了需要在血液和空气之间进行气体交换的微流体血液充氧器的起源。PDMS膜可以通过将液体PDMS旋涂在平坦的基板(例如晶片)上来轻松制造。可以通过更改旋转器的速度,固化剂比例和固化温度来调整PDMS膜的性能。在不观察针孔缺陷的情况下,可以生产出厚度约为1 µm的PDMS膜。当应避免渗透性时,PDMS的厚度可以增加1 mm以上。

简而言之,PDMS在实现微流控中如此众多的应用中显示了其潜力。使用PDMS的微细加工使我们能够将具有简单设计的设备制造为具有非常复杂功能的设备。PDMS已被广泛研究,这为每个人提供了丰富的资源来根据他们的需求优化PDMS属性。