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，是廣泛應用于微流體芯片的加工和原型制造的一種有機高分子聚合物（含碳和硅的結構）。除了微流控的應用外，它還被應用于食品添加劑（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與交聯劑混合（液體）后倒入微結構化模具中并加熱以獲得模具的彈性復制品（PDMS交聯）。
 
PDMS的化學特性
化學基礎知識
PDMS聚合物的經驗式為(C2H6OSi)n，其分段式為CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3，n為單體重復數。
依據單體鏈的大小，非交聯的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”之后
PDMS變為疏水彈性體。 極性溶劑（例如水）難以潤濕PDMS（水珠并且不會擴散），從而導致在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表面化學并在其表面上產生硅烷醇終止（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鍵合PDMS。
 
無論PDMS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變形。因此，可以將PDMS與這些流體一起使用而不用擔心微結構變形。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對于許多有機化學應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微流體芯片。
（2）將PDMS（液體）和交聯劑（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塊上的微通道的復制品。
微流體器件的完成：
（4）為了將來的實驗允許注入流體，微流體裝置的進口和出口用PDMS打孔器進行打孔，其尺寸與后續連接導管的尺寸相一致。
（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。
 
現在該微流體PDMS芯片已準備好，您可以使用微流體導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管。
 
如果您不確定為您的實驗裝置選擇合適的導管，請參閱我們的博客：微流體導管和適配器的基礎知識 和 如何選擇微流體導管？
 
為什么使用PDMS進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皮細胞在PDMS芯片中培養以模擬肺功能
 
它在光學頻率（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PDMS層可形成緊密結合。這使得多層PDMS器件的生產具有利用玻璃基板提供的技術可能性，例如使用金屬沉積，氧化物沉積或表面功能化。
 
在交聯過程中，PDMS可以使用簡單的旋涂技術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，例如來自細胞的生物力學相互作用。
 
與先前使用的材料如硅相比，它更加便宜。
 
PDMS也易于成型，因為即使與交聯劑混合，它在室溫下仍會保持液體數小時。 PDMS可以以高分辨率來模塑對象的結構。通過一些優化，可以模制幾納米的結構[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現細胞培養（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上進行金屬和電介質沉積幾乎是不可能的，這嚴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沉積在載玻片上可以實現金屬電極和電阻器的集成。
 
PDMS老化，因此，在幾年以后，這種材料的機械性能會發生變化。
 
它吸附疏水分子并可以將一些分子從不良的交聯中釋放到液體中，這對于PDMS微流體器件中的一些生物學研究來說可能是一個問題。
 
PDMS對滲透水蒸氣，這使得PDMS器件中的蒸發難以控制。
 
PDMS對某些化學品比較敏感（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預聚物用于這些應用：PDMS RTV-615和PDMS Sylgard 184。雖然這兩種PDMS的確切組分是保密，然而，研究人員的經驗可以您的應用來選擇最合適的PDMS [4]：
 
1）PDMS RTV-615
（1）S.Quake的優選PDMS（微流體閥的共同發明者）。
（2）粘合雙層微流體器件最堅固和最方便。
（3）不同批次之間的等離子體結合強度存在差異，這使得有必要在每次購買時調整粘合參數。
 
2）PDMS Sylgard 184（道康寧公司）
（1）更清潔的PDMS。
（2）該PDMS不常用于多層芯片。
（3）它使兩個PDMS層之間的粘合更加困難。
（4）它在器件制造過程中會產生更多故障。
（4）該PDMS最常用于微流體芯片中的哺乳動物細胞培養。
 
PDMS的耐化學性
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
[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).