|
PDMS - это минерально-органический полимер (структура, содержащая углерод и кремний) из семейства силоксанов (слово происходит от кремния, кислорода и алкана). Помимо микрофлюидики, он используется в качестве пищевой добавки (E900), в шампунях, а также как антипенный реагент в напитках или в смазочных маслах.Для изготовления микрофлюидных устройств полидиметилсилоксан (жидкость), смешанный со связующим веществом, заливается в микроструктурированную форму и нагревается для получения эластомерной копии формы (поперечно-сшитый). Немного химии поможет нам лучше понять преимущества и недостатки PDMS материала для
|
После "сшивания" PDMS становится гидрофобным эластомером. Полярные растворители, такие как вода, с трудом смачивают PDMS (вода собирается и не распространяется), что приводит к адсорбции гидрофобных загрязнений из воды на поверхности материала.
Окисление PDSM
Окисление PDMS с помощью плазмы изменяет химию поверхности, и на ее поверхности образуются силанольные сростки (SiOH). Это помогает сделать материал гидрофильным в течение тридцати минут или около того. Этот процесс также делает поверхность устойчивой к адсорбции гидрофобных и отрицательно заряженных молекул. Кроме того, плазменное окисление используется для функционализации поверхности трихлорсиланом или для ковалентного связывания PDMS (на атомном уровне) на поверхности окисленного стекла путем создания связей Si-O-Si.
Независимо от того, оксидирована поверхность плазмой или нет, она не допускает проникновения воды, глицерина, метанола или этанола и последовательной деформации. Таким образом, можно использовать PDMS с этими жидкостями, не опасаясь деформации микроструктуры. Однако он деформируется и набухает в присутствии диизопропиламина, хлороформа и эфира, а также, в меньшей степени, в присутствии ацетона, пропанола и пиридина - поэтому PDMS не является идеальным для многих применений в органической химии.
Использование PDMS в микрофлюидике
PDMS является одним из наиболее используемых материалов для изготовления микрофлюидных чипов. Здесь описывается изготовление микрофлюидного чипа методами мягкой литографии. (1) Этап формовки позволяет массово производить микрофлюидные чипы из пресс-формы. (2) Смесь PDMS (жидкость) и сшивающего вещества (для ее отверждения) заливается в форму и нагревается при высокой температуре. (3) После затвердевания ее можно снять с формы. Мы получаем копию микроканалов на блоке. (4) Чтобы обеспечить возможность введения жидкостей для будущих экспериментов, входы и выходы микрофлюидного устройства пробиваются пробойником из PDMS по размеру будущих соединительных трубок. (5) Наконец, поверхность блока PDMS с микроканалами и стеклянный слайд обрабатываются плазмой. (6) Обработка плазмой позволяет склеить PDMS и стекло, чтобы закрыть микрофлюидный чип. |
Теперь чип готов к подключению к микрофлюидным резервуарам и насосам с помощью микрофлюидных трубок. Трубки Tygon и Teflon являются наиболее часто используемыми трубками в микрофлюидных установках.
Причины выбора PDMS для микрофлюидных устройств
Человеческие альвеолярные эпителиальные и легочные микрососудистые эндотелиальные клетки, культивируемые в чипе PDMS для имитации функций легких |
PDMS был выбран для изготовления микрофлюидных чипов в первую очередь по следующим причинам:
|
- PDMS деформируется, что позволяет интегрировать микрофлюидные клапаны с помощью деформации микроканалов PDMS, легко соединять герметичные жидкостные соединения и использовать его для обнаружения очень малых сил, таких как биомеханические взаимодействия клеток.
- PDMS дешевле по сравнению с ранее используемыми материалами (например, кремнием).
- Его также легко формовать, поскольку даже при смешивании со сшивающим веществом он остается жидким при комнатной температуре в течение нескольких часов. PDMS позволяет формовать структуры с высоким разрешением. При определенной оптимизации можно формовать структуры размером в несколько нанометров.
- Он является газопроницаемым. Это позволяет культивировать клетки, контролируя количество газа через материал или заполнение тупиковых каналов (остаточные пузырьки воздуха под давлением жидкости могут выходить через PDMS для выравнивания атмосферного давления).
Проблемы микрофлюидных устройств из PDMS
Электроды, осажденные на стекло для интеграции в микрофлюидный чип из PDMS |
|
- Этот материал проницаем для водяного пара, что делает испарение в таких устройствах трудно контролируемым.
- Он также чувствителен к воздействию некоторых химических веществ.
Типы PDMS, используемых в микрофлюидике
PDMS используется для изготовления микрофлюидических чпиов (однослойных и двухслойных) и штампов для микроотпечатков. Обычно исследователями используются два различных типа для этих целей: PDMS RTV-615 и PDMS Sylgard 184. Точный состав этих двух типов... держится в секрете. Однако, имея опыт, исследователи могут помочь выбрать наиболее подходящий PDMS для того или иного применения.
Микрофлюидный чип из PDMS
1. PDMS RTV-615
- Предпочтительный PDMS С. Квейка (соизобретатель микрофлюидного клапана).
- Наиболее прочный и удобный для склеивания многослойных микрофлюидных чипов.
- Имеет репутацию "грязного". (Например, компания Fluidigm выбросила 90% полученного RTV-615).
- Прочность склеивания плазмы в разных партиях различна. Это приводит к необходимости корректировки параметров склеивания при каждой покупке.
2. PDMS Sylgard 184 (Dow Corning)
- Более чистый PDMS.
- Он реже используется для многослойных чипов.
- Он затрудняет склеивание между двумя слоями.
- Он создает больше отказов при изготовлении чипа.
- Этот вариант чаще всего используется для культур клеток млекопитающих в микрофлюидных чипах.
Химическая устойчивость PDMS
Ниже представлено исследование погружения микроструктурированного PDMS (в: 11 мкм, д: 45 мкм) в различные химические вещества, это исследование было проведено с PDMS Sylgard 184.
Химикаты |
Концентрация (%) |
Время (мин) |
Нет |
Умеренный |
Средний |
Всего |
Прибавка в весе (%) |
Забуференная плавиковая кислота |
49,0 |
10 |
X |
-0,97 | |||
Соляная кислота |
37,9 |
10 |
X |
-0,34 | |||
Гидроксид калия |
86,9 |
10 |
X |
|
|
|
-0,27 |
перекись водорода (H2O2) |
31,8 |
10 |
X |
|
|
|
2,01 |
Пиранья |
3(H2O2):1(H2SO4) |
10;30 |
X |
|
|
|
0,64 |
Проявитель фоторезиста |
100,0 |
10 |
X |
|
|
|
-0,97 |
Деонизированная вода |
100,0 |
10;30 |
X |
|
|
|
-0,33 |
Гексан |
99,9 |
10 |
X |
|
|
|
4,67 |
Толуол |
99,9 |
10 |
X |
|
|
|
45,51 |
Ацетон |
99,7 |
10;30 |
X |
|
|
|
2,78 |
Метанол |
100,0 |
10 |
X |
|
|
|
-0,34 |
Изопропанол |
100,0 |
10 |
X |
|
|
|
-0,97 |
Гидроксид калия |
86,9 |
60 |
|
X |
|
|
0,75 |
Забуференная плавиковая кислота |
49,0 |
30 |
|
|
X |
|
1,39 |
Азотная кислота |
69,8 |
10 |
|
|
X |
|
4,13 |
Фтористоводородная кислота |
49,0 |
10 |
|
|
|
X |
-1,38 |
Серная кислота |
96,0 |
10 |
|
|
|
X |
-14,00 |
Гидроокись калия |
86,9 |
1620 |
X |
-0,90 |