功能材料表面修饰在微流控芯片中的应用研究

发布时间：2020-06-24 22:23

【摘要】：微流控芯片通过对器件中流体的操控,实现不同的功能,并广泛用于化学、生物、医学等领域。基于微流控芯片,对其功能材料表面修饰,可以实现材料物理或者化学性质改变,拓展材料应用。聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有性质稳定、价格便宜、易固化成型等特点。因此选用PDMS为微流控芯片制备材料。通过设计芯片通道,实现对其物理性能的改变。然后对芯片内部结构进行化学修饰实现其化学改性。本文基于微流控技术,通过不同的修饰方法对其表面修饰,开展了以下3个方面的工作。1.基于微流控芯片,对其制备材料PDMS进行调控,改变通道结构形状,从而影响液滴行为。外加电场于微流控装置中,通过液滴在电场中的行为,探索通道结构对微液滴的影响。设计不同矩形的通道结构,利用流动聚焦法生成油包水液滴,观察液滴在电场中不同运动轨迹。发现液滴的带电量与通道结构有关。改变水相为NaCl溶液,发现溶液离子浓度与通道流动电势负相关,然后对微结构处镀金再键合芯片,通过化学方法进行表面修饰,发现镀金通道修饰后,流动电势增加,液滴偏转更加明显。2.设计微柱型PDMS芯片,通过静电纺丝在微柱上耦合网状聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纳米纤维,制备出既有微米结构又有纳米结构的三维网络支架。通过化学法对纳米纤维进行表面修饰连接抗体,发现在既有纺丝又有微柱的PDMS结构基底,当捕获时间为30 min,捕获效果最好。当纺丝时间为4 min时,纳米纤维的密度也有利于细胞捕获。3.在微流控芯片内部刻蚀微柱通道,微柱表面仍然耦合PLGA纳米纤维。用化学方法在纳米纤维表面修饰连接抗体。模拟血液流动,实现从静态到动态的对流动细胞的捕获。这种“微台型”微柱的三维网络纤维结构在微流控中,展现出对MCF-7良好捕获效果,捕获效率达91.53%,通过扫描显微镜对捕获的细胞进行形貌表征,发现捕获细胞出现伪足,并且与纺丝基底之间相互作用。这对于研究细胞与材料间的相互作用以及细胞检测平台的建立具有重要的意义,也为肿瘤疾病的诊断及临床分析中提供了一定的研究价值。
【学位授予单位】：江汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;R318.08
【图文】：

微流控芯片,材料合成

图 1-1 微流控芯片应用方向：（a）材料合成[1]，（b）癌症检测[2]，（c）基因诊断[3]，（d）细胞分选[4]，（e）器官芯片[5]，（f）微液滴应用[6]1.2.1 微流控芯片材料的选用微流控芯片可以实现一个实验室完整的功能，通过调控芯片中的微通道产生流体，以实现不同功能。微流控技术，降低试剂使用量，具有较快的分析速度，更重要的是，芯片的使用成本较低。芯片的制备是整个微流控系统的核心，材料对于芯片的构建又起着直接作用。用来制备微流控芯片的材料有很多，不同的材料会赋予芯片不同的功能。最早使用的是硅材料，包括硅片、玻璃、石英等。随着高分子材料的快速发展，越来越多的高聚物也应用于微流控芯片制备。例如：聚碳酸酯(PC)、PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。硅材料仍然是制备微流控芯片的主要材料，具有良好

参考图,微流控芯片,光刻技术

而且在经过等离子清洗机 (Plasma)清洗后，PDMS 和玻璃表面会产生大量羟基基团，可以与其它硅材料发生键和反应，形成微流控芯片。目前是使用最为广泛的一种聚合物材料。1.2.2 微流控芯片制作方法微流控芯片的制备过程包括结构的设计、材料的选用以及芯片的制备等步骤。对于 PDMS 芯片，一般采用的是软光刻技术，利用蚀刻和光刻技术在基底材料上得到设想的微通道结构。而后再将 PDMS 浇注于通道结构上固化成型。软光刻技术是在基底材料上利用紫外光进行曝光，再将掩模板上的图形转移到光刻胶表面，制备出微米级结构。主要的实验步骤可分为：首先清洁基底，然后甩上一层均匀的光刻胶，前烘后经过紫外曝光处理，再后烘，显影得到微结构，最后通过对基底表面微结构进行 PDMS 复制，PDMS 上即可得到设计的微结构。方法可以参考图 1-2。

【参考文献】