聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新興的智能功能

2025-06-13 11:15:19 193閱讀次數

掃碼分享

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。如今，智能 PDMS 發展出自清潔（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

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。
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

核心步驟

混合脫氣：PDMS 與固化劑混合后去除氣泡。
倒模：將混合物倒入母模（軟光刻制備的負像模具）。
固化：高溫加熱使 PDMS 硬化。
打孔：在 PDMS 塊上加工流體進出口，孔徑略小于連接管。
等離子鍵合：處理 PDMS 與玻璃表面，實現密封。

模具優勢
：單個母模可重復使用，支持微流體芯片大規模生產。

三、PDMS 作為微流體材料的優勢

優勢類型	具體表現
光學特性	透明（波長 240nm-1100nm），便于顯微鏡觀察
生物相容性	支持細胞培養，但存在吸附分子的限制
功能特性	氣體滲透性（平衡壓力）、可變形性（集成微閥）、易粘合（等離子處理后）
工藝成本	材料便宜，室溫下可模具數小時，結構分辨率達納米級

四、PDMS 應用面臨的挑戰

材料缺陷

老化：機械性能隨時間改變。
自熒光：影響熒光檢測實驗。
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難控。

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 的化學抗性數據（Sylgard 184）

化學物質	濃度（wt.%）	浸泡時間（min）	增重率（%）	結構影響
甲苯	99.9	10	45.51	嚴重破壞
硫酸（H?SO?）	96.0	10	-14.00	結構損傷
己烷	99.9	10	4.67	中等影響
過氧化氫（H?O?）	31.8	10	2.01	輕微影響
去離子水	100	10/30	-0.33	無影響

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，多層鍵合可靠性低。

七、智能 PDMS 的新興功能

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。

自我修復功能

高模量改性：引入酰基氨基脲（ASC）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%。

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）及低成本等優勢，成為微流體芯片制造的理想材料。其室溫下可模具數小時，結構分辨率達納米級，且單個模具可重復生產，支持大規模制造。

2. PDMS 在微流體應用中面臨哪些主要挑戰？

答案：PDMS 的主要挑戰包括：金屬 / 電介質沉積困難（需通過旋涂未固化層間接實現）；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 有哪些創新功能，如何實現？

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）、機械發光染料（二氟龍 β- 二酮酸酯）實現應力 - 熒光 / 發光信號轉化，可視化損傷程度。