PDMS微流控芯片的表面修饰方法

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种有机硅材料，作为一种高分子有机硅化合物，PDMS由于其具有电绝缘性，生物相容性，弹性，耐热性，较高的化学惰性以及成本低廉许多特性，在很多领域得到了广泛的应用，比如建筑、航空航天、生物医疗、电子电器等。近年来，具有微纳米尺度可加工性优异性能的PDMS已经发展成在生物微流控领域最为受欢迎的基底材料。但是，普通制作的PDMS表面具有疏水性，这对细胞的粘附和生长是不利的，而且，生物组织细胞与基底材料表面直接接触，基底表面的特征性能是引起生物组织细胞发生反应的直接因素。因此，对PDMS表面进行表面修饰以达到实验研究和性能优化的目的，是一个极为重要的研究方向，其中包括对PDMS进行表面改性使其由疏水性变为亲水性。

对于PDMS的表面改性，目前已研究发展出了很多种方法。主要有等离子处理，紫外辐射处理，硅烷化，接枝共聚法，动态表面改性法等。这些方法各有优缺点。（1）等离子处理法操作十分简单，并且能够快速改善PDMS表面的亲水性，是修饰改性应用最为广泛的一种方法之一，但是这种方法也有一个很大的缺陷，即经过等离子处理之后的PDMS表面在很短时间内便会发生疏水复原，表面由亲水重新变得疏水。（2）紫外辐射处理的优点在于能量低，在处理改性过程中不会使PDMS的表面发生大的机械性能变化，紫外处理的缺点在于，时间较长，且只在气相有氧的环境中效果更好。（3）硅烷化和接枝共聚法是将PDMS与有机试剂接触反应，将亲水基团修饰到材料表面，这种处理方法得到的亲水表面能够维持较长时间，疏水复原时间相对长，但是缺点是操作繁琐，且需要一定时间，并可能会对后期在PDMS表面进行培养的细胞状态产生影响。（4）动态表面改性法是用表面活性剂、蛋白质或者离子液体等对PDMS进行涂层表面修饰，这种方法简便经济，但是表面活性剂和离子液体处理的材料表面亲水性维持时间较短，且可能会在细胞培养中与与培养基发生反应，影响细胞生长，而蛋白质吸附得到亲水性表面则要求无菌和无蛋白质降解酶的环境。

1.十字形通道微流控芯片--疏水性修饰

PDMS这种材料本身是疏水的，但是在制作芯片的键合过程中，用等离子键合机照射后，会使芯片表面活化，表面接触角从113°下降到65°，即使过几个小时亲水性会有所降低，接触角会恢复到85°，因此也需要将芯片表面进行疏水性处理。所用的疏水处理剂是用质量分数为5％的异丙酮溶液并加入适量冰乙酸作为催化剂。操作时，取配置好的疏水处理剂放于50ml的烧杯中，将键合好的十字形通道微流控芯片浸泡于疏水处理剂内约30分钟，PDMS必须完全浸没在溶液中。30分钟后将芯片取出用清水和酒精反复清洗并用高压氮气吹干，此时芯片表面的接触角大概为110°，实现了疏水性处理。

2.阵列式微流控芯片--亲水性修饰

阵列式微流控芯片这种液滴的生成充分利用了通道壁面，如果通道的疏水性很强，油就会很轻易的将水冲走，导致液滴无法生成。所以阵列式微流控芯片必须将芯片通道表面处理成非常亲水的状态。

经键合过程中的等离子照射后，芯片表面会被活化，PDMS表面接触角就会变小，但是过几个小时后会恢复，原因有两个，首先没有交联的的PDMS会从聚合物内部移动到表面；其次是常温下，为了表面能量降低，高度流动性的聚合物会产生重排。所以这样制作的芯片生成的液滴效果肯定是效果不好，必须用其他方法对芯片的表面进行改性使其达到非常亲水的状态。

PDMS表面亲水性处理的方法非常多，紫外光处理法、硅烷化法、动态表面改性法、等离子法等。以下对这几种方法进行简单的介绍。

其中实验室中常见的等离子处理方法操作方法：

本篇课题阵列式微流控芯片的亲水性处理选用的是等离子法，键合的时候同样需要等离子处理，所以这种方法算是一举两得，问题就是要解决等离子法疏水性恢复的问题。前面已经说到，疏水性恢复的原因主要是没有交联的PDMS从内部迁移至外部，所以只需将这些未交联的PDMS去掉就能够阻止疏水性恢复。用三乙胺、乙酸乙酯和丙酮三步溶剂萃取法去掉未交联PDMS。操作时，先将芯片等离子处理5分钟，然后用上述三种溶液进行三步溶剂萃取法，将芯片表面未交联的PDMS去掉，拿出来将芯片用清水进行清洗，用高压氮气吹干，此时亲水处理完成，放置7天后接触角从30°升到35°，满足实验的要求。处理好亲水后则立即实施键合，将芯片等离子处理5分钟，再将芯片的上下两部分键合到一起并置于恒温箱中保持80℃状态下40分钟之后取出，此时亲水性阵列式微流控芯片制作完成。

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