CN102923639B - 一种基于植物叶脉的仿生微流道系统精确成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，先除树叶叶肉部分，获得树叶叶脉结构，在叶脉结构表面溅射金属薄膜得到叶脉掩膜，利用掩膜光固化技术将叶脉掩膜结构转移到粘附在玻璃板或硅片表面的光刻胶上，显影后得到光刻胶叶脉结构，然后在光刻胶叶脉结构的表面溅射一层金属薄膜，放入有机溶剂内，在非叶脉区域形成金属薄膜的掩膜层，制造出叶脉流道的硅模具或树脂模具，翻制出具有叶脉流道结构负型的硅橡胶模具，以硅橡胶模具为模板，可以在各种材料上精确复制出复杂的仿生叶脉微流道结构，本发明克服了直接利用自然植物叶脉做模具存在的结构易变形、易受损、不适宜于温度较高场合等缺点，为人工修饰自然叶脉结构性能提供了可能。
Description
技术领域
本发明涉及复杂微流道系统的仿生制造技术领域，具体涉及一种基于植物叶脉的仿生微流道系统精确成形方法。
背景技术
自然界许多生命体都富含复杂的微血管网络如植物叶脉与动物血管网，从而在结构上保证了营养、水分、氧气等物质在生命体内的有效传输，这对维持生命体的活性与功能至关重要。目前，通过模拟自然生命体内部的微血管网络来构建人工功能构件如自愈合材料、复杂微流控器件及生物组织与器官支架等方面的研究已成为国际仿生制造领域的前沿与热点。现有的微流体系统制造方法主要有光刻、软压印、激光刻蚀、直写组装等，但这些方法多需要昂贵的专用成形设备与熟练的操作技能。同时，由于自然微血管网络的复杂性，现有的微流道系统制造方法多是通过模拟自然微血管结构的形状与几何参数重新设计或是对自然微血管结构进行工程简化来实现的，这在一定程度上影响了所制备的微流道系统的结构性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，具有在人工功能构件上简单快速精确地制造出仿自然叶脉的复杂微流道系统的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，包括以下步骤：
1）分别制备质量分数为6%-8%的氢氧化钠水溶液和4%-6%的碳酸氢钠水溶液，将两种溶液按照1:1的体积比均匀混合，摘取叶质坚硬、叶脉清晰的新鲜树叶，将树叶放入混合溶液中并加热至沸腾，6-20分钟后取出放入水中清洗，并用毛刷彻底剥离叶肉部分，压平干燥后得到完整的叶脉结构，然后在叶脉结构表面溅射或涂覆一层厚度为50-500纳米的第一金属薄膜，得到叶脉掩膜，第一金属薄膜包括铬、铜、铂或金；
2）将增粘剂添加在玻璃板或硅片表面，以1000转/分钟的速度旋涂10秒钟，在90-100℃温度下静置10-30分钟，然后将光刻胶以700转/分钟的速度均匀旋涂在增粘剂的表面，控制光刻胶的厚度为3-6微米，在95℃温度下静置5-10分钟；
3）将叶脉掩膜放置在涂覆有光刻胶的玻璃片或硅片表面，置于平行紫外光下照射10-15秒钟，然后将玻璃板或硅片浸泡在质量分数为0.5%的氢氧化钠溶液显影40-50秒钟，取出后在95℃温度下烘干15分钟，在玻璃板或硅片上得到光刻胶叶脉结构；
4）在光刻胶叶脉结构表面溅射或涂覆一层厚度为100-250纳米的第二金属薄膜，浸泡在可溶解光刻胶的有机溶液中，随着光刻胶在有机溶液中的溶解，使得叶脉结构表面的第二金属薄膜从玻璃板或硅片上剥离，在玻璃板或硅片的非叶脉区域形成了金属掩膜层，第二金属薄膜包括铬、铜、铂或金；
5）对于具有金属掩膜层的硅片，采用干法刻蚀的方法在硅片的非金属掩膜区域刻蚀出深度为50-200微米的叶脉流道模具；而对于具有金属掩膜层的玻璃片作为光掩膜，采用步骤3）的方法在光敏材料上制备出深度为50-400微米的叶脉流道模具；
6）采用C4F8气体对步骤5）得到的叶脉流道模具表面进行低能处理5-10分钟，再将液态硅橡胶单体与固化剂按照10：1的质量比均匀混合，然后填充在叶脉流道模具的表面，在真空环境下去除气泡，然后置于60-95℃温度下1-3小时使硅橡胶固化，冷却后脱模得到具有叶脉结构的硅橡胶模具；
7）将硅橡胶模具的叶脉结构表面进行氧等离子体处理1分钟，以提高其表面亲水性，然后通过模具成形的方法在人工功能器件材料上制备复杂的叶脉微流道结构。
本发明基于植物叶脉提出了一种仿生微流道系统的精确成形方法。与其他制造方法相比，其优点在于可快速精确地在人工构件上成形出复杂的自然微血管网络，为直接利用自然生命体优异结构性能提供了一种低成本的技术方法。自然界植物具有丰富的叶脉类型如分叉状脉、掌状网脉、羽状网脉、平行脉等，叶脉直径从毫米级逐渐过渡到微米级，基本上覆盖了微流体系统所需的尺寸范围，这种结构与尺度的多样性为依据人工构件功能定制特定的微流道结构提供了广阔的选择空间。通过采用微制造技术将自然植物叶脉结构转换为具有良好性能的硅橡胶模具，拓宽了其材料适用范围，克服了直接利用自然植物叶脉做模具存在的结构易变形、易受损、不适宜于温度较高场合等缺点，同时也为人工修饰自然叶脉结构性能提供了可能。
附图说明
图1为实施例1溅射有400纳米金属铬薄膜的叶脉掩膜。
图2为实施例1具有叶脉流道结构的硅片模具。
图3为实施例1具有叶脉流道结构的硅橡胶模具。
图4为实施例1具有叶脉流道的水凝胶结构。
图5为实施例2具有金属掩膜层的玻璃板。
图6为实施例2具有叶脉流道的多孔壳聚糖支架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细描述。
实施例1
一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，包括以下步骤：
1）分别制备质量分数为7%的氢氧化钠水溶液和5%的碳酸氢钠水溶液，将两种溶液按照1:1的体积比均匀混合，摘取叶质坚硬、叶脉清晰的新鲜桂树树叶，将桂树树叶放入混合溶液中并加热至沸腾，15分钟后取出放入水中清洗，并用毛刷彻底剥离叶肉部分，在50℃烘箱内压平干燥后得到完整的叶脉结构，然后在叶脉结构表面溅射一层厚度为400纳米的第一金属铬薄膜，得到叶脉掩膜；
2）将六甲基二硅胺烷增粘剂滴加在硅片表面，以1000转/分钟的速度旋涂10秒钟，在95℃温度下静置15分钟，然后将EPG533光刻胶以700转/分钟的速度在增粘剂表面均匀旋涂45秒钟，控制光刻胶的厚度为4微米，在95℃温度下静置5分钟；
3）将叶脉掩膜放置在涂覆有EPG533光刻胶的硅片表面，置于平行紫外光下照射12秒钟，然后将硅片浸泡在质量分数为0.5%的氢氧化钠溶液显影45秒钟，取出后在95℃烘箱内烘干15分钟，在硅片上得到光刻胶叶脉结构；
4）在光刻胶叶脉结构表面溅射一层厚度为150纳米的第二金属铬薄膜，浸泡在可溶解光刻胶的丙酮溶液中，随着EPG533光刻胶在丙酮溶液中的溶解，使得叶脉结构表面的第二金属铬薄膜从硅片上剥离，在硅片非叶脉区域形成了金属铬掩膜层；
5）对于具有金属掩膜层的硅片，采用干法刻蚀的方法在硅片的非金属掩膜区域刻蚀出深度为150微米的叶脉流道模具；
6）采用C4F8气体对步骤5）得到的具有叶脉流道结构的硅片模具进行低能处理5分钟，再将液态硅橡胶单体与固化剂按照10：1的质量比均匀混合，然后填充在硅片的叶脉流道结构表面，放入容器内抽真空至5-10Pa，静置15分钟去除气泡，然后置于95°C烘箱内固化2小时，冷却后脱模得到具有叶脉结构的硅橡胶模具；
7）将硅橡胶模具的叶脉结构表面进行氧等离子体处理1分钟，以提高其表面亲水性，制备质量浓度为1%的琼脂糖溶液并置于80℃温度下保温，用移液枪将琼脂糖溶液添加在硅橡胶模具表面，然后置于4℃温度下5分钟使琼脂糖溶液形成凝胶，脱模后即可获得具有复杂叶脉流道的水凝胶结构。
本实施例的具体效果参照图1、图2、图3和图4，图中能清晰的反映本发明具有在人工功能构件上简单快速精确地制造出仿自然叶脉的复杂微流道系统的优点。
实施例2
一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，包括以下步骤：
1）分别制备质量分数为7%的氢氧化钠水溶液和5%的碳酸氢钠水溶液，将两种溶液按照1:1的体积比均匀混合，摘取叶质坚硬、叶脉清晰的新鲜桑树树叶，将桑树树叶放入混合溶液中并加热至沸腾，10分钟后取出放入水中清洗，并用毛刷彻底剥离叶肉部分，在常温下压平干燥后得到完整的叶脉结构，然后在叶脉结构表面溅射一层厚度为300纳米的第一金属铬薄膜，得到叶脉掩膜；
2）将六甲基二硅胺烷增粘剂滴加在透明玻璃片表面，以1000转/分钟的速度旋涂10秒钟，在95℃温度下静置15分钟，然后将EPG533光刻胶以700转/分钟的速度在增粘剂表面均匀旋涂45秒钟，控制光刻胶的厚度为4微米，在95℃温度下静置5分钟；
3）将叶脉掩膜放置在涂覆有EPG533光刻胶的玻璃片表面，置于平行紫外光下照射12秒钟，然后将硅片浸泡在质量分数为0.5%的氢氧化钠溶液显影45秒钟，取出后在95℃烘箱内烘干15分钟，从而在玻璃片上得到光刻胶叶脉结构；
4）在光刻胶叶脉结构表面溅射一层厚度为150纳米的第二金属铬薄膜，浸泡在可溶解光刻胶的丙酮溶液中，随着EPG533光刻胶在丙酮溶液中的溶解，使得叶脉结构表面的第二金属铬薄膜从玻璃片上剥离，而在玻璃片的非叶脉区域形成了金属铬掩膜层；
5）对于具有金属掩膜层的玻璃片作为光掩膜，采用步骤3）的方法在SU8光敏胶上制备出深度为200微米的叶脉流道模具；
6）采用C4F8气体对对步骤5）得到的具有叶脉流道结构的SU8模具进行低能处理5分钟，将液态硅橡胶单体与固化剂按照10：1的质量比均匀混合，然后填充在SU8模具的叶脉流道结构表面，放入容器内抽真空至5-10Pa，静置15分钟去除气泡，然后置于95℃烘箱内固化2小时，冷却后脱模得到具有叶脉结构的硅橡胶模具；
7）将硅橡胶模具的叶脉结构表面进行氧等离子体处理1分钟，以提高其表面亲水性，制备质量浓度为1%的壳聚糖溶液并置于60℃温度下保温，用移液枪将壳聚糖溶液添加在硅橡胶模具表面，用玻璃或塑料平板压在壳聚糖溶液的上表面使其平整，然后置于-20℃温度下冷冻30分钟，将硅橡胶模具脱模后得到叶脉流道的冰冻结构，放入冷冻干燥机内真空干燥24小时得到具有复杂叶脉流道的多孔壳聚糖支架。
本实施例的具体效果参照图5和图6，图中能清晰的反映本发明具有在人工功能构件上简单快速精确地制造出仿自然叶脉的复杂微流道系统的优点。
Claims (1)
1.一种基于植物叶脉的仿生微流道系统的精确成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别制备质量分数为6％-8％的氢氧化钠水溶液和4％-6％的碳酸氢钠水溶液，将两种溶液按照1:1的体积比均匀混合，摘取叶质坚硬、叶脉清晰的新鲜树叶，将树叶放入混合溶液中并加热至沸腾，6-20分钟后取出放入水中清洗，并用毛刷彻底剥离叶肉部分，压平干燥后得到完整的叶脉结构，然后在叶脉结构表面溅射或涂覆一层厚度为50-500纳米的第一金属薄膜，得到叶脉掩膜，第一金属薄膜包括铬、铜、铂或金；
2)将增粘剂添加在玻璃板或硅片表面，以1000转/分钟的速度旋涂10秒钟，在90-100℃温度下静置10-30分钟，然后将光刻胶以700转/分钟的速度均匀旋涂在增粘剂的表面，控制光刻胶的厚度为3-6微米，在95℃温度下静置5-10分钟；
3)将叶脉掩膜放置在涂覆有光刻胶的玻璃板或硅片表面，置于平行紫外光下照射10-15秒钟，然后将玻璃板或硅片浸泡在质量分数为0.5％的氢氧化钠溶液显影40-50秒钟，取出后在95℃温度下烘干15分钟，在玻璃板或硅片上得到光刻胶叶脉结构；
4)在光刻胶叶脉结构表面溅射或涂覆一层厚度为100-250纳米的第二金属薄膜，浸泡在可溶解光刻胶的有机溶液中，随着光刻胶在有机溶液中的溶解，使得叶脉结构表面的第二金属薄膜从玻璃板或硅片上剥离，在玻璃板或硅片的非叶脉区域形成了金属掩膜层，第二金属薄膜包括铬、铜、铂或金；
5)对于具有金属掩膜层的硅片，采用干法刻蚀的方法在硅片的非金属掩膜区域刻蚀出深度为50-200微米的叶脉流道模具；而对于具有金属掩膜层的玻璃板作为光掩膜，将其放置在涂覆有光敏材料的玻璃板或硅片表面，置于平行紫外光下照射10-15秒钟，然后将玻璃板或硅片浸泡在质量分数为0.5％的氢氧化钠溶液显影40-50秒钟，取出后在95℃温度下烘干15分钟，从而在玻璃板或硅片的光敏材料上制备出深度为50-400微米的叶脉流道模具；
6)采用C4F8气体对步骤5)得到的叶脉流道模具表面进行低能处理5-10分钟，再将液态硅橡胶单体与固化剂按照10：1的质量比均匀混合，然后填充在叶脉流道模具的表面，在真空环境下去除气泡，然后置于60-95℃温度下1-3小时使硅橡胶固化，冷却后脱模得到具有叶脉结构的硅橡胶模具；
7)将硅橡胶模具的叶脉结构表面进行氧等离子体处理1分钟，以提高其表面亲水性，然后通过模具成形的方法在人工功能器件材料上制备复杂的叶脉微流道结构。
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