微流控芯片用聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物材料介紹

PDMS又稱為聚二甲基硅氧烷，是廣泛應(yīng)用于微流體芯片的加工和原型制造的一種有機(jī)高分子聚合物（含碳和硅的結(jié)構(gòu)）。除了微流控的應(yīng)用外，它還被應(yīng)用于食品添加劑（E900），在飲料或潤滑油中被用作消泡劑。
為了制造微流體器件，PDMS與交聯(lián)劑混合（液體）后倒入微結(jié)構(gòu)化模具中并加熱以獲得模具的彈性復(fù)制品（PDMS交聯(lián)）。
 
PDMS的化學(xué)特性
化學(xué)基礎(chǔ)知識
PDMS聚合物的經(jīng)驗(yàn)式為(C2H6OSi)n，其分段式為CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3，n為單體重復(fù)數(shù)。
依據(jù)單體鏈的大小，非交聯(lián)的PDMS可以幾乎是液體（低n）或半固體（高n）。硅氧烷鍵形成了具有高水平粘彈性的柔性聚合物鏈。
 
“交聯(lián)”之后
PDMS變?yōu)槭杷畯椥泽w。 極性溶劑（例如水）難以潤濕PDMS（水珠并且不會擴(kuò)散），從而導(dǎo)致在PDMS表面上吸附水中的疏水性污染物。
 
PDMS氧化
使用等離子體的PDMS氧化改變PDMS表面化學(xué)并在其表面上產(chǎn)生硅烷醇終止（SiOH）。這有助于使PDMS親水30分鐘左右。該方法還有助于使得PDMS表面抵抗疏水性和帶負(fù)電荷的分子的吸附。另外，PDMS等離子體氧化用于用三氯硅烷功能化PDMS表面或通過形成Si-O-Si鍵在氧化玻璃表面上以原子級共價(jià)鍵合PDMS。
 
無論P(yáng)DMS表面是否被等離子氧化，它都不允許水，甘油，甲醇或乙醇滲透和連續(xù)變形。因此，可以將PDMS與這些流體一起使用而不用擔(dān)心微結(jié)構(gòu)變形。然而，PDMS在二異丙胺，氯仿和醚類溶液存在下會變形和溶脹，在丙酮，丙醇和吡啶存在下有較小程度上的變形和膨脹 - 因此，PDMS對于許多有機(jī)化學(xué)應(yīng)用來說不是理想的選擇。
 
微流控PDMS芯片加工過程
 
PDMS是模塑微流體器件最常用的材料之一。
我們在這里描述了通過軟光刻方法來加工微流體芯片的過程[1]。
（1）成型模塑步驟允許從模具中批量加工生產(chǎn)微流體芯片。
（2）將PDMS（液體）和交聯(lián)劑（又稱為固化劑，用于固化PDMS）的混合物倒入模具中并在高溫下加熱。
（3）一旦PDMS硬化，就可以將其從模具中取出。 我們獲得PDMS塊上的微通道的復(fù)制品。
微流體器件的完成：
（4）為了將來的實(shí)驗(yàn)允許注入流體，微流體裝置的進(jìn)口和出口用PDMS打孔器進(jìn)行打孔，其尺寸與后續(xù)連接導(dǎo)管的尺寸相一致。
（5）最后，用等離子體處理具有微通道的PDMS片和載玻片。
（6）等離子體處理允許PDMS片和載玻片粘合以封閉微流體芯片。
 
現(xiàn)在該微流體PDMS芯片已準(zhǔn)備好，您可以使用微流體導(dǎo)管連接到微流體儲液池和壓力泵。 Tygon管和Teflon管是微流體裝置上最常用的導(dǎo)管。
 
如果您不確定為您的實(shí)驗(yàn)裝置選擇合適的導(dǎo)管，請參閱我們的博客：微流體導(dǎo)管和適配器的基礎(chǔ)知識 和 如何選擇微流體導(dǎo)管？
 
為什么使用PDMS進(jìn)行微流體器件的加工？
選擇PDMS加工微流控芯片主要是出于以下原因：
 
人體肺泡上皮和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞在PDMS芯片中培養(yǎng)以模擬肺功能
 
它在光學(xué)頻率（240 nm - 1100 nm）下是透明的，這有助于在視覺上或通過顯微鏡觀察微通道中的物體。
 
它具有低自發(fā)熒光特性[2]
 
它具有生物兼容性（對部分生物樣本會有一些限制）。
 
通過簡單的等離子體處理，PDMS與玻璃或另一個(gè)PDMS層可形成緊密結(jié)合。這使得多層PDMS器件的生產(chǎn)具有利用玻璃基板提供的技術(shù)可能性，例如使用金屬沉積，氧化物沉積或表面功能化。
 
在交聯(lián)過程中，PDMS可以使用簡單的旋涂技術(shù)在基材上涂覆可控的厚度，這允許加工多層器件及集成微閥。
 
它是可變形的，允許使用PDMS微通道的變形來集成微流體閥門，易于連接防漏流體連接及其用來檢測非常低的力，例如來自細(xì)胞的生物力學(xué)相互作用。
 
與先前使用的材料如硅相比，它更加便宜。
 
PDMS也易于成型，因?yàn)榧词古c交聯(lián)劑混合，它在室溫下仍會保持液體數(shù)小時(shí)。 PDMS可以以高分辨率來模塑對象的結(jié)構(gòu)。通過一些優(yōu)化，可以模制幾納米的結(jié)構(gòu)[3]。
 
它是透氣的。 它通過控制PDMS或死端通道填充的氣體量來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)（液體壓力下的殘余氣泡可以通過PDMS逸出以平衡大氣壓力）。
 
微流體應(yīng)用的PDMS存在的問題是：
  
PDMS微流控芯片中沉積在玻璃上的金屬電極
 
在PDMS上進(jìn)行金屬和電介質(zhì)沉積幾乎是不可能的，這嚴(yán)重限制了電極和電阻器的集成。然而，PDMS通過等離子體處理后，非常容易與載玻片粘合，因此，將各種薄金屬層或電介質(zhì)沉積在載玻片上可以實(shí)現(xiàn)金屬電極和電阻器的集成。
 
PDMS老化，因此，在幾年以后，這種材料的機(jī)械性能會發(fā)生變化。
 
它吸附疏水分子并可以將一些分子從不良的交聯(lián)中釋放到液體中，這對于PDMS微流體器件中的一些生物學(xué)研究來說可能是一個(gè)問題。
 
PDMS對滲透水蒸氣，這使得PDMS器件中的蒸發(fā)難以控制。
 
PDMS對某些化學(xué)品比較敏感（見下文）。
 
用于微流體的不同PDMS
  
PDMS微流控芯片
 
PDMS用于加工微流體器件（單層和雙層）和微壓印章。 研究人員常將兩種類型的PDMS預(yù)聚物用于這些應(yīng)用：PDMS RTV-615和PDMS Sylgard 184。雖然這兩種PDMS的確切組分是保密，然而，研究人員的經(jīng)驗(yàn)可以您的應(yīng)用來選擇最合適的PDMS [4]：
 
1）PDMS RTV-615
（1）S.Quake的優(yōu)選PDMS（微流體閥的共同發(fā)明者）。
（2）粘合雙層微流體器件最堅(jiān)固和最方便。
（3）不同批次之間的等離子體結(jié)合強(qiáng)度存在差異，這使得有必要在每次購買時(shí)調(diào)整粘合參數(shù)。
 
2）PDMS Sylgard 184（道康寧公司）
（1）更清潔的PDMS。
（2）該P(yáng)DMS不常用于多層芯片。
（3）它使兩個(gè)PDMS層之間的粘合更加困難。
（4）它在器件制造過程中會產(chǎn)生更多故障。
（4）該P(yáng)DMS最常用于微流體芯片中的哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)。
 
PDMS的耐化學(xué)性
You will find below an immersion study of microstructured PDMS (h: 11μm, L: 45μm) in a variety of chemicals [5], this study was performed with PDMS Sylgard 184.
 
 (Legend: No: no effect on microstructures, Total: complete destruction of microstructures)
 
參考文獻(xiàn)
[1] Xia, Y. & Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550–575 (1998).
 
[2] Piruska, A. et al. The autofluorescence of plastic materials and chips measured under laser irradiation. Lab. Chip 5, 1348–1354 (2005).
 
[3] Hua, F. et al. Polymer Imprint Lithography with Molecular-Scale Resolution. Nano Lett. 4, 2467–2471 (2004).
 
[4] James M. Spotts 2008 Microfluidics Course Institute for Systems Biology November 17, 2008
 
[5] Mata, A., Fleischman, A. J. & Roy, S. Characterization of polydimethylsiloxane (PDMS) properties for biomedical micro/nanosystems. Biomed. Microdevices 7, 281–293 (2005).