CN101067624A - 一种三维管道微流体芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维管道微流体芯片的制作方法。其特征在于首先以金属丝弯曲成三维的空间结构，作为三维管道模具，然后浇注液态聚合物，并以适当条件使之固化，聚合物固化后，再利用电化学的方法腐蚀掉包埋在固化聚合物中的金属丝，最终得到具有三维管道结构的微流体芯片。本发明简化了三维管道微流体芯片的传统复杂制作过程，无需严格的净化室环境和昂贵的微加工设备，具有制作过程简单、成本低廉的特点。

Description

一种三维管道微流体芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及一种三维管道微流体芯片的制作方法，特别是基于聚合物浇注制作三维管道微流体芯片的方法。

背景技术

三维微流体芯片有着非常广泛的应用，比如用于生物分子或细胞在材料表面形成图案印迹、生物微分析系统中的样品混合或用作光波导器件等。目前有多种方法用于制作三维微流体芯片。一种最常用的方法就是利用光刻分别制作多层二维结构，然后将这些二维结构对准、堆叠、键合密封形成三维结构的微流体芯片[Jo BH，et al.Three-Dimensional Micro-Channel Fabricationin Polydimethylsiloxane(PDMS)Elastomer.JMEMS，2000，9(1)：76-81]；还有一种比较常用的方法就是利用硅片或SU-8光刻胶经过多次光刻制得三维模具，然后以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)浇注，并将剥离的PDMS膜与其它平面基片键合，从而制作三维微流体芯片[Wu H，et al.Fabrication of Complex Three-Dimensional Microchannel Systems in PDMS.J.Am.Chem.Soc.，2003，125：554-559]。但是这些加工制作方法都需要依赖光刻加工技术，整个加工过程对环境和设备的要求比较高，需要超净工作室、昂贵的光刻机、精密的对准和键合设备等，工艺比较复杂，加工成本高昂，普通实验室难以实现，而且加工过程中涉及多种有毒有害的化学试剂，对操作者存在一定危害，上述两种方法也难以加工复杂三维管道结构。因此，应用受到很大的局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用聚合物浇注结合电化学腐蚀制作三维管道微流体芯片的方法。采用该方法制作三维管道微流体芯片具有加工过程简单、对设备和环境要求低、成本低廉、不涉及有毒有害试剂、常规实验室可实现的特点。

具体而言，首先选择合适尺寸和材质的金属丝，金属丝材料可为铁、铝、铜、钨及合金，金属丝直径在50微米至1毫米之间，根据所要制作的三维管道形状将金属丝弯曲成相应三维的空间结构，作为微管道模具；然后，将上述弯曲的金属丝作为模具置于一个合适的容器中，并注入液态聚合物，使模具金属丝包含其中，聚合物材料可为热固性或光敏性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Durimide7510)、SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯；待浇注的液态聚合物静置达水平后，针对浇注的聚合物材料，通过加热或紫外光照射的方法使上述容器中液态聚合物固化；之后，取出固化的聚合物块，置于盛有电解质溶液的容器中(根据模具金属材料的不同，电解质溶液可以为NaCl、NaOH、CuSO₄、KCl或KOH等，电解质溶液的质量百分浓度可为0.1％～30％)，利用电化学的方法腐蚀掉埋置于其中的金属丝，稳压直流电源输出0.1V到10V的电压，其中待腐蚀的模具金属丝接正极，负极可接铂丝或碳电极；最后，对已腐蚀掉金属丝的聚合物块进行切割、修整、钻孔，得到具有三维管道结构的微流体芯片。本发明优先推荐的PDMS热固性聚合物和聚酰亚胺光敏性聚合物。

本发明与传统的三维管道微流体芯片加工方法相比：过程简单、操作方便、对设备和环境的要求低，加工成本低廉，对操作者无危害，普通实验室即可实现。而且加工出来的三维管道比传统微加工技术加工出来的管道形状更复杂多样。

附图说明

图1为本发明实施例金属丝制作的对应微流体管道的模具示意图；

图2为本发明实施例1液态聚合物注入模具后并固化的示意图；

图3为本发明实施例利用电化学方法腐蚀包埋在聚合物中金属丝的示意图；

图4为本发明实施例1或2所示的液态聚合物注入模具后并固化的示意图；

图5为本发明实施例腐蚀掉包埋在聚合物中金属丝后得到具有三维管道结构的微流体芯片示意图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图采用PDMS聚合物进一步说明本发明的实质特点和显著进步。

(A)选择直径100微米的金属铝丝，弯制如图1所示金属丝模具1。

(B)配制液态PDMS前体(PDMS预聚体∶固化剂＝10∶1)，充分混匀，静置5分钟。

(C)将步骤(A)弯制的金属铝丝模具1置于合适容器2中，然后将步骤(B)配制的液态PDMS前体浇注于容器2中，并使金属铝丝三维结构包埋于其中，但保证金属铝丝两端暴露于PDMS外(如图2所示)。

(D)将步骤(C)中的容器及包含金属铝丝的PDMS前体一起放置于真空烘箱中，抽真空，然后维持真空状态，加热至75℃，维持2小时，使容器2中PDMS前体完成固化，形成固态PDMS结构3(如图2所示)。

(E)取出固化的包含金属铝丝的PDMS，置于盛有10％NaCl电解质溶液4的容器5中，使PDMS整体浸入电解质溶液4中，但保证金属丝其中一端暴露于液面外(如图3所示)。电解质溶液可选择NaCl、KCl等溶液。

(F)将步骤(E)中暴露于液面外的金属丝一端与稳压直流电源正极相连，此端金属丝浸入液面以下且未包埋于PDMS中的部分以环氧胶6密封，与电解质溶液4隔离；稳压直流电源负极接一浸入电解质溶液4中的碳电极或铂电极7，通电维持电压在0.1V至10V之间，直至包埋在PDMS中的金属丝被腐蚀干净(如图3所示)。

(G)取出步骤(F)完成后的PDMS，并切割、修整、钻孔制成最终的具有三维管道结构8的微流体芯片(如图4所示)。

实施例2

下面结合附图采用光敏性聚酰亚胺聚合物进一步说明本发明的实质特点和显著进步。

(A)选择直径100微米的金属铝丝，弯制如图1所示金属丝模具1。

(B)将步骤(A)弯制的金属丝模具1置于合适容器2中，然后将液态的光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)浇注于容器2中，并使金属丝三维结构包埋于其中，但保证金属丝两端暴露于聚酰亚胺表面之外(如图5所示)。

(C)将步骤(B)中浇注Durimide 7510的容器放置于紫外灯下，在紫外光10的照射下静置30分钟，使容器2中光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)完成固化，形成固态聚酰亚胺结构9(如图5所示)。

(D)取出固化的包含金属丝的聚酰亚胺，置于盛有10％NaCl电解质溶液4的容器5中，使整体浸入NaCl电解质溶液4中，但保证金属丝其中一端暴露于液面外(如图3所示)。

(E)将步骤(D)中暴露于液面外的金属丝一端与稳压直流电源正极相连，此端金属丝浸入液面以下且未包埋于聚酰亚胺中的部分以环氧胶6密封，与电解质溶液4隔离；稳压直流电源负极接一浸入电解质溶液4中的铂电极7，通电维持电压在0.1V至10V之间，直至包埋在中的金属铝丝被腐蚀干净(如图3所示)。

(F)取出步骤(E)完成后的聚酰亚胺，并切割、修整、钻孔制成最终的具有三维管道结构8的微流体芯片(如图4所示)。

Claims (9)

1、一种三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于首先以金属丝弯曲成三维的空间结构作为微管道模具，且置于容器中，然后浇注液态聚合物且固化，聚合物固化后形成微流体芯片的基底材料，再利用电化学的方法腐蚀模具金属丝形成微管道；其步骤如下：

(A)按照三维管道所需形状，弯曲金属丝成相应三维形状；

(B)将步骤(A)弯曲的金属丝作为模具置于容器中；

(C)向步骤(B)所述的容器中注入液态热固性或光敏性的聚合物；

(D)通过加热或紫外光照射使步骤(C)浇注的聚合物固化；

(E)取出步骤(D)固化的聚合物块置于盛有电解质溶液的容器中，利用电化学方法腐蚀掉包埋在步骤(D)形成的固态聚合物中的金属丝；

(F)切割修整(E)步骤处理后的聚合物形状，得到具有三维管道结构的微流体芯片。

2、按权利要求1所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于所述的热固性或光敏性的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯。

3、按权利要求1或2所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。

4、按权利要求1所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于步骤(E)中电化学方法腐蚀时的电解质溶液为NaCl、NaOH、CuSO₄、KCl或KOH，其质量百分浓度为0.1-30％。

5、按权利要求1或4所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于电化学腐蚀时暴露于液面外的金属丝一端与稳压电流正极相连，此端金属丝侵入液面下且未包埋于聚合物的部分以环氧密封，以电解质液隔离，稳压电流负极接一浸入电解质溶液中的碳电极或铝电极，通电维持电压在0.1V-10V之间。

6、按权利要求1所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于含热固性聚二甲基硅烷前体放入真空烘箱中，抽低真空，加热至75℃维持2小时完成固化。

7、按权利要求1或2所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于含热敏性聚酰亚胺的容器放置于紫外灯下静置照射30分钟完成固化。

8、按权利要求1所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于所述金属丝为铁、铝、铜、钨或合金。

9、按权利要求1或8所述的三维管道微流体芯片的制作方法，其特征在于所述金属丝的直径在50微米～1毫米之间。

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