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聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新興的智能功能
概 述
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流體芯片制造的常用聚合物，因其透明、生物相容、氣體滲透、可變形、易粘合且便宜等特性成為理想材料，制造需經(jīng)混合脫氣、倒入模具、固化、打孔、等離子處理等步驟，但存在金屬沉積困難、老化、自熒光、分子吸附及水蒸氣滲透等挑戰(zhàn)。如今，智能 PDMS 發(fā)展出自清潔（如涂層或微納米結構化）、自我修復（高模量或靜電紡絲）、自我報告（微膠囊嵌入或機械發(fā)光）等新興功能，進一步拓展了其應用潛力。
一、PDMS 的基本概念與結構
1. 定義：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是硅氧烷家族的礦物有機聚合物，分子式為 (C?H?OSi) N，常用于微流體芯片制造，也作為食品添加劑（E900）、抗泡沫劑等。
2. 化學結構：由硅氧鍵（Si-O）連接甲基側鏈，形成柔性聚合物鏈，交聯(lián)后成為疏水性彈性體，表面能低，易導致液滴珠狀分布。
二、PDMS 微流體器件制造 **步驟
1. 混合脫氣：PDMS 與固化劑混合后去除氣泡。
2. 倒模：將混合物倒入母模（軟光刻制備的負像模具）。
3. 固化：高溫加熱使 PDMS 硬化。
4. 打孔：在 PDMS 塊上加工流體進出口，孔徑略小于連接管。
5. 等離子鍵合：處理 PDMS 與玻璃表面，實現(xiàn)密封。
2. 模具優(yōu)勢：單個母?？芍貜褪褂茫С治⒘黧w芯片大規(guī)模生產(chǎn)。
三、PDMS 作為微流體材料的優(yōu)勢
四、PDMS 應用面臨的挑戰(zhàn)
1. 材料缺陷
1. 老化：機械性能隨時間改變。
2. 自熒光：影響熒光檢測實驗。
3. 分子行為：吸附疏水分子，釋放物質干擾實驗，水蒸氣滲透導致蒸發(fā)難控。
2. 工藝限制：金屬和電介質難以直接沉積，需通過旋涂未固化 PDMS 層克服。
五、PDMS 的化學抗性數(shù)據(jù)（Sylgard 184）
六、PDMS 主要類型對比
· RTV-615：強度高，適合雙層器件及微閥，但批次間粘合強度差異大，雜質較多。
· Sylgard 184：純度高，常用于哺乳動物細胞培養(yǎng)，多層鍵合可靠性低。
七、智能 PDMS 的新興功能
1. 自清潔功能
· 表面涂層：接枝 pH 敏感聚合物（GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下大腸桿菌附著量降低 98%。
· 微納米結構化：超疏水 MNDS 膜，通過 DRIE 技術制備，無需表面活性劑。
2. 自我修復功能
· 高模量改性：引入?；被澹ˋSC）基團，保持透明性，提升剛度。
· 靜電紡絲：201.2μm 厚薄膜，95 小時室溫愈合 60%。
3. 自我報告功能
· 微膠囊嵌入：釋放電荷轉移前體，損傷時顏色轉換，可復合自我修復劑。
· 機械熒光：MPS 官能化 PDMS，應力與熒光強度呈線性關系。
· 機械發(fā)光：摻入二氟龍染料，增強 MCL 強度，診斷熱 / 機械損傷。
關鍵問題
1. 為什么 PDMS 適合用于微流體芯片制造？
答案：PDMS 因具備透明性（240nm-1100nm 波長透光）、生物相容性、氣體滲透性（可平衡壓力）、可變形性（集成微閥）、易粘合性（等離子處理后與玻璃 / PDMS 鍵合）及低成本等優(yōu)勢，成為微流體芯片制造的理想材料。其室溫下可模具數(shù)小時，結構分辨率達納米級，且單個模具可重復生產(chǎn)，支持大規(guī)模制造。
2. PDMS 在微流體應用中面臨哪些主要挑戰(zhàn)？
答案：PDMS 的主要挑戰(zhàn)包括：金屬 / 電介質沉積困難（需通過旋涂未固化層間接實現(xiàn)）；材料老化導致機械性能改變；自熒光特性干擾檢測；疏水分子吸附和物質釋放影響實驗準確性；水蒸氣滲透性使蒸發(fā)難以控制；對甲苯（增重 45.51%）、硫酸（增重 - 14%）等化學物質敏感。
3. 智能 PDMS 有哪些創(chuàng)新功能，如何實現(xiàn)？
答案：智能 PDMS 具備三大功能：
· 自清潔：通過表面接枝 pH 敏感聚合物（如 GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下抑菌率達 98%；或制備微納米結構化超疏水膜（MNDS），通過 DRIE 技術增強表面鈍化。
· 自我修復：引入高模量 ASC 基團提升材料剛度，或通過靜電紡絲制備厚膜（201.2μm），95 小時室溫愈合 60%。
· 自我報告：嵌入微膠囊釋放電荷轉移前體（CTC），損傷時顯色；或通過機械熒光基團（MPS）、機械發(fā)光染料（二氟龍 β- 二酮酸酯）實現(xiàn)應力 - 熒光 / 發(fā)光信號轉化，可視化損傷程度。
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