乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）微流控芯片：新型低成本、无障碍、可快速制造可修改的微流控设备

微流控作为一种新兴的技术有着巨大的潜力，已经在各种各样的如化学，生物，物理，生物医学工程各领域的实质利益的。随着这项技术的不断发展，其潜力正在显现，显示出集成到多学科系统中的巨大希望。为了使不同设备的不同实验室之间的改进和集成铺平道路，至关重要的是使这些系统的成本尽可能低，并使它们更易于制造，修改和集成。用PDMS制造微流体芯片的过程包括：首先制造模具，然后将PDMS混合物倒入模具中，将其放入干燥器中以除去气泡，在指定的温度和时间段内将其固化，最后将其等离子体粘合在玻璃上基板。尽管这是制造微流控芯片的标准方法，但在某些国家，这种材料的获取和光刻设备的使用较少，仍然是耗时且昂贵的。

PDMS具有出色的功能，如柔韧性，透明性，生物相容性和气体渗透性。然而，它的低的功能，如在IR范围内弱传输行为，长的固化时间，而事实上，该芯片被固化后，它不能被修改。在本文中介绍了乙烯乙酸乙烯酯（EVA）作为PDMS的替代品，保留了它的大部分重要功能，并增加了一些其他功能。

乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），它是一种用于制造不同微流体芯片的新型聚合物基材料，在微流体系统的制造，集成和功能方面带来了新特性和新工具。我们将此材料放在PDMS旁边，以比较这些材料的各个方面。我们已经表明，除了低成本能力，普遍存在性，几何可修改性和EVA芯片的易制造性之外，由于EVA的疏水性和太赫兹（THz）吸收比PDMS低，因此与PDMS相比，EVA芯片还可以工作速度更快，通道阻塞的次数更少，可用于太赫兹（THz）生物传感应用，例如基于超材料的癌症检测。最后，使用EVA制造了几种器件，以展示这种材料在微流控芯片制造中的功能性和多功能性。由于EVA芯片的疏水性和太赫兹（THz）吸收率均低于PDMS，因此与PDMS相比，EVA芯片工作更快，通道阻塞数量更少，并且可用于太赫兹（THz）生物传感应用，例如基于超材料的癌症检测。

1.基于EVA的微流控芯片

乙烯-乙酸乙烯酯（EVA），也称为聚（乙烯-乙酸乙烯酯）（PEVA），是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物（图 1）。乙酸乙烯酯的重量百分比通常为10％至40％，其余为乙烯。VA含量约为11％的材料用作热熔胶。EVA是经济实惠，方便，易于使用，生物相容性，半柔性，并具有良好的透明度（在视觉和红外范围）。至于价格，对于每个典型的微流控芯片，相当数量的3克材料，PDMS的成本约为1美元，而EVA的成本仅为0.6美分，并且更高的热成本和耗时PDMS的固化和粘结过程增加了成本。除了上述特征之外，赋予这种材料独特关注的最有益的特性之一是即使在芯片粘结后也能够修改芯片的几何形状和结构或将不同的有源系统集成到其中。

图1、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的化学结构

2.EVA芯片制造

        使用这种材料的芯片制造快速而直接。首先，通过3D打印或光刻胶、光刻或其他常规方法制备模具。之后，应使用熔化的热胶（EVA11％）作为模具的填充材料。可以通过先将EVA熔化然后将其倒入模具中完成，或者使用热风枪本身进行填充（图 2）。第一种方法比较耗时，但是随着气泡在熔化过程中消失，结果会更好，而且我们有均匀熔化的EVA来制造切屑。此步骤在150°下进行15-20分钟。至于第二种方法，它更快，但是在下一制造阶段需要更多的努力才能得到无气泡的芯片。

图2、EVA的熔化：（a）使用罐，（b）直接使用喷枪。

为了防止EVA与模具过度粘合，可以使用纯润滑剂，以便可以轻松地将其从PLA或ABS模具等热敏材料上剥离。然后将入口和出口穿过芯片的这一侧。最后，要完成芯片，需要用一块玻璃将其粘合。通常，将芯片直接粘合到玻璃上会产生理想的结果。但是，为了保持通道中的更大压力，由于EVA与自身的粘合性更高，因此可以在通道的另一侧涂覆一层均匀的EVA。芯片（EVA-EVA和EVA玻璃）的热粘合可以通过两种技术完成。第一种方法（图 3），将一块玻璃放在加热器上并加热到120°。然后，以最小的推动力（例如手指触摸）将顶层放在其上，以使其与玻璃或玻璃上的EVA涂层接触。最后，在10秒或更短的时间内（取决于厚度和通道尺寸），切屑将完全浸入冷水中。在这一部分中，粘接所需的压力不应使玻璃上的熔融层变形以确保通道是开放的，并且浸没步骤应尽快完成，以确保芯片无缺陷。在第二种方法中，为了获得更高的可重复性和无缺陷的结果，可以使用微波炉进行热粘合。在此步骤中，将一块玻璃放在微波炉中。然后将水喷在其上，以便在表面上形成均匀的水滴涂层。最后，将芯片的顶部放在玻璃板上，微波将运行约10 s。此步骤所需的时间取决于顶层的重量以及所使用的微波功率，因此，反复试验是找到所需结果的过程的一部分。

图3、使用加热器和冷水粘合EVA芯片。（a）在加热器上加热一块玻璃，（b）将制成的芯片放在玻璃上，（c）施加一段时间的压力，这取决于厚度和通道尺寸，并且（d）之后迅速浸入水中最后一步。

3.微流控EVA特性

生物相容性

像PDMS这样的材料，最重要的特征之一就是细胞相容性和体外细胞培养的生物相容性。在不同的报告指出，EVA已经证明在各种医疗应用长期和成功的作用，在这些应用中一直是创新的材料。在其中一些中，我们可以命名为非肠道血液输送，复合液体非肠道输送，生物制剂的非肠道输送以及适用于低温干细胞存储的医疗袋。所以，因为它是在不同的化合物和结构在食物和药物递送行业广泛使用很显然，EVA是生物相容的，并提供相同的可用性为广大各种生物系统的。

灵活性

PDMS和EVA的应力应变比图如图4所示 。在此实验中，我们将应变添加到两个相同的样本中并测量了应力。如图 4如图所示，很明显，在相同的应变量下，EVA承受的应力更大，这意味着它的弹性较小。PDMS在55％应变时达到断裂点，而EVA继续其非弹性行为直到180％应变，这表明EVA更加坚固，但在不同情况下显示的柔韧性较低。但是，在足以满足大多数要求的足够薄的微流体芯片（小于5毫米）中，柔韧性方面略有差异，并且可以认为两者都是柔韧性的。

图4、EVA与PDMS之比的应变应力

太赫兹透明性和吸收性

从（图5）可以明显 看出，在0.5–1.5 Thz的频率范围内，与不同固化温度下的PDMS相比，EVA具有较低的吸收系数。为了更好地理解比较结果，图6中显示了吸收系数比的图表。 ）即使在1.5 Thz左右的高频率下也清晰可见，EVA的吸收率较低，并且比率仍超过1。尽管PDMS（80°）和EVA（12％）的吸收系数接近1.5 Thz，但在此温度下用PDMS进行芯片制造比较耗时，这增加了该材料的生产成本。因此，我们可以看到EVA在太赫兹区域的透明性方面占了上风，因此这种材料对于特殊应用（例如超材料生物传感器，微粒的捕获和感测，用于感测的纳米流体等）更加有用。

图5、PDMS在不同固化温度下的吸收系数与EVA的比较（12％）

疏水性

为了比较这两种材料的疏水性，我们测量了两种材料中DI水滴的接触角，如图（7）所示。 ）。通过测量该参数，可以得出结论：EVA的接触角更小，这意味着EVA比PDMS更具亲水性（更易润湿）且疏水性小，这是微流体设备的基本特征。因为在高度疏水性的材料（例如PDMS）中，几次使用后微通道会被阻塞，但是在疏水性较弱的材料（例如EVA）中，我们很少会遇到阻塞的通道，因此我们可以多次使用EVA微流体芯片而无需任何操作问题。

图7、左：PDMS，右：EVA的接触角测量。EVA具有较小的接触角，这意味着EVA比PDMS更具亲水性（更易润湿）并且疏水性更小。

EVA作为PDMS的新替代品，用于制造不同的微流控设备。我们证明了这种材料在经济成本，制造时间损失，处理，耐用性，吸收性，粘合性和易用性方面均具有优势。两种材料的生产成本均根据材料成本进行了评估，这对基于EVA微流控芯片的POCT和医疗设备的批量生产显示出了广阔的前景，并且EVA的易于生产和加工显示出将POCT商业化的巨大飞跃。基于微流体的设备。研究了这两种材料的机械性能，尽管与PDMS相比，EVA表现出的柔韧性比PDMS小，但其应变却更大。在生物相容性方面，EVA在适用于此问题的各种医疗应用中已显示出长期成功的作用。此外，已证明EVA的疏水性低于PDMS，并且流体可以更快，更容易地流入微通道，而通道阻塞的可能性更低。最后，我们证明了这种材料在太赫兹范围内更透明的行为，使得该领域的新思想得以出现，作为针对癌症和不同细胞生物学领域的传感和诊断设备。

A novel, low cost, and accessible method for rapid fabrication of the modifiable microfluidic devices

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41598-020-73535-w