CN105277724B - 一种微流控芯片装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微流控芯片装置及其制备方法，所述微流控芯片装置包括微流控系统和芯片夹具。本发明的微流控芯片装置及其制备方法，利用3D打印技术结合软刻蚀法及特殊设置的芯片夹具，提出了一种高效快速又低成本的微流控芯片装置。本发明的微流控芯片装置既具有非常好的微流控结构，又能灵活拆卸，便于使用和清洗，克服了传统制造方法中因不可逆地密封而产生的样品取出不方便及无法重复使用的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术，具体而言是一种微流控芯片装置及其制备方法。
背景技术
微流控芯片系统在化工、能源、环境及医疗等领域越来越受到人们的关注。微流控芯片可以通过对流质的操控，实现微分析、混合或分离等功能。近年来，微流控芯片的研究和发展，在医学领域不仅实现了快速，价廉的生物化学分析，而且也有助于药物筛选、医学诊断和组织修复与再生。微流控装置具有微米或纳米结构并包含微流道网络，能够非常精确地实现对流体的控制。同时大大减少了试剂的消耗量，具有快速反应，和高产量分析的能力；同时作为组织与细胞的三维动态培养环境，可以通过微流控系统对营养物质浓度等调控，获取模拟体内的细胞生长环境及新药刷选。
目前主流的微流道系统的制作方法多为软光刻技术，所使用的光刻机、镀膜机、离子键合机等高精度的设备往往都比较昂贵，而利用SU-8负光刻胶制作阳模的过程又过于复杂。同时，使用离子键合机进行不可逆转的芯片键合，使得制得的芯片一旦造成内部流道堵塞，清洗困难，甚至不能再继续使用，这不仅增加了实验的成本、还存在残次品率高的风险。
因此，我们需要一种新的微流控芯片装置及其制备方法，既可以高效快速地制备微流控芯片，改变现有微流控芯片的封装技术，实现样品重复取出，并能降低制作成本和维护成本。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种微流控芯片装置及其制备方法，利用3D打印技术制备出微流控系统的模具，然后在模具上浇筑微流控系统的材料，待固化脱模后即可获得微流控系统；再配合特殊设计的夹具，使制得的微流控芯片装置既具有非常好的微流控结构，又能灵活拆卸，便于样品取出和清洗。
为了达到上述目的，本发明提供一种微流控芯片装置，所述微流控芯片装置包括微流控系统和夹具；所述微流控系统由结构层和底层组成，所述夹具由通过螺栓连接的夹具上层和下层组成；其中，所述夹具下层具有凹槽，所述微流控系统可以夹设于所述夹具上层和下层之间，有利于夹紧密封，并通过所述螺栓紧固。在本发明中，所述微流控系统的结构层利用3D打印结合软刻蚀方法制备,可具有复杂的三维结构，可用于作为培养细胞组织的支撑结构及改变微流道内流动特征的功能，如减少流动剪切力。并且，所述夹具下层的凹槽也可根据需要而具有复杂结构，使所述微流控系统可以夹紧并密封夹设于所述夹具上层和下层之间。
在本发明一实施例中，所述微流控系统的底层为平板，所述夹具上层和下层也均为平板。
在本发明一实施例中，在所述夹具上层上设置有两个穿孔，使外部管道穿过所述穿孔与所述微流控系统的系统出入端流体连接。
在本发明一实施例中，所述微流控系统的材料为聚二甲基硅氧烷。
在本发明一实施例中，所述芯片夹具的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明还提供一种上述微流控芯片装置的制备方法，所述制备方法是先以3D打印技术制得微流控系统的模具，然后在模具上浇筑微流控系统的材料，待固化后脱模，获得微流控系统的结构层；将微流控系统的结构层与底层相结合，并夹设于一夹具的上层和下层之间，再通过螺栓紧固密封后，即获得微流控芯片装置。
在本发明一实施例中，所述微流控系统的材料为聚二甲基硅氧烷。
在本发明一实施例中，所述微流控系统的模具的材料为硅橡胶。
在本发明一较优实施例中，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1) 模具打印
使用3D打印技术制得微流控系统的模具，所述模具材料为硅橡胶；
(2) 微流控系统的结构层的成型
在步骤(1)获得的模具上浇筑聚二甲基硅氧烷预聚物溶液，固化后脱模，获得微流控系统的结构层；
(3) 微流控芯片装置的制作
将步骤(2)获得的微流控系统的结构层与一微流控系统的底层相结合，形成微流控系统；将所述微流控系统夹设于一夹具的上层和下层之间，并使用螺栓紧固连接所述夹具上层和下层后，即获得微流控芯片装置。
当然，在本发明一较佳实施例中，上述步骤中还可以包括一些常规准备工作，如准备夹具和微流控系统的底层。所述夹具的上层和下层均为平板，所述微流控系统的底层也为平板。对于所述夹具上层和下层的厚度没有特殊要求，而在制备所述夹具下层时，可以根据所述微流控系统的尺寸具体设计所述夹具下层的凹槽尺寸。
并且，如上所述的，所述夹具的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，可以通过任何已知的制备聚甲基丙烯酸甲酯平板的方法制备所述芯片夹具的上层和下层；而所述微流控系统的材料为聚二甲基硅氧烷，可以通过任何已知的制备聚二甲基硅氧烷平板的方法制备所述微流控系统的底层。
在本发明一较佳实施例中，所述聚二甲基硅氧烷预聚物溶液由聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按(10～15):1的质量比混合而成；优选地，聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂的质量比为10:1。当然，所述微流控系统的底层也可以按照类似的方法制得，只需将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液倒入一平板模具内，固化后脱模即可。制作过程中应尽量减小微流控系统结构层和底层的高度，以便使夹具能否夹紧微流控系统，防止泄露。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(2)中的固化温度为70～90℃，优选80℃；固化时间为12～20小时，优选14～20小时。
在本发明一较佳实施例中，所述微流控系统的结构层的厚度为3mm，所述微流控系统的底板的厚度为1mm。
需要说明的是，如无特殊说明，本发明中所述的试剂均是有市售的产品。
本发明的微流控芯片装置及其制备方法，利用3D打印技术结合软刻蚀法，利用特殊设置的夹具，提出了一种高效快速又低成本的微流控芯片装置。本发明的微流控芯片装置既具有好的三维复杂微流控结构，又能灵活拆卸，便于使用和清洗，克服了传统制造方法中因不可逆地密封而产生的样品取出不方便及无法重复使用的技术问题。
附图说明
图1是本发明一实施例的微流控芯片装置的结构爆炸图；
图2是图1中微流控系统的结构层的示意图；
图3A是图1中微流控系统的结构层的结构扫描电镜主视图；
图3B是图1中微流控系统的结构层的结构扫描侧视图扫描电镜图片；
图4是该方法制备的微流控芯片装置的中制备水油两相液滴实例图（标尺为200微米）。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做详细的说明，实施例旨在解释而非限定本发明的技术方案。
实施例一
在本实施例中提供一种微流控芯片装置及其制备方法，所述微流控芯片装置的结构如图1所示。
如图1所示的，所述微流控芯片装置10包括微流控系统11和夹具12。所述微流控系统11由结构层111和底板112组成，而所述夹具12由通过螺栓123连接的夹具上层121和下层122组成。所述螺栓123的个数并不限于本实施例，当然，为了密封需求，所述螺栓123的个数可以是至少4个。
特别地，如图1所示，所述夹具下层122上具有一凹槽124，使所述微流控系统11可以恰好收纳于所述凹槽124内，由于所述微流控系统11的上侧面和下侧面均为平面，因此所述微流控系统11可以非常好且密封地夹设于所述夹具上层121和下层122之间。然后，在使外部管道20与所述微流控系统11的出入端密封流体连接后，使外部管道20穿过所述夹具上层上的穿孔125，这样，所述外部管道20不会妨碍螺栓123紧固密封所述微流控芯片装置10。
上述微流控芯片装置10的具体制备方法如下。
(1) 模具打印
使用3D打印技术制得微流控系统的模具，可以根据实际需要使用3D打印机自带的建模软件设计为微流控系统的模具尺寸。作为一个实施例，请参见图2，所述微流控系统的尺寸可以是：空腔尺寸为6*6*1.5(mm)、微流道尺寸为10mm*(200*200(μm))。所述模具材料为硅橡胶。使用硅橡胶材料的原因是打印出的模具可以很牢固地粘附在基底上，保证浇筑完成后，固化的微流控系统材料可以与模具很好地脱离；
(2) 微流控系统的结构层的成型
首先准备微流控系统的材料—二甲基硅氧烷预聚物溶液，所述二甲基硅氧烷预聚物溶液的制备方法为：将二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按10 : 1的质量比混合均匀，置于真空干燥器中，使用真空泵进行脱泡处理，获得透明均一性好的二甲基硅氧烷预聚物溶液。
然后，将步骤(1)获得的模具放置在芯片浇筑盒内，并倒入上述二甲基硅氧烷预聚物溶液，在真空干燥器中进行二次真空，把模具空隙中多余的气泡完全去除干净。
再在80℃下固化14～20小时后脱模，获得微流控系统11的结构层111；
(3) 微流控芯片装置的制作
将步骤(2)获得的微流控系统11的结构层111与一实现准备好的平板微流控系统的底板112相结合，形成微流控系统11。然后将所述微流控系统11夹设于夹具12的上层121和下层122之间，并使用螺栓123紧固连接，获得微流控芯片装置10。
在本实施例中，所述微流控系统11的结构层111的厚度为3mm，所述微流控系统11的底板112厚度为1mm。当然，为了实际需要，可以适当调节结构层111及底板112的厚度。
当然，为了实际需要，也可以应用本发明的制备方法制备出其他结构的微流控芯片装置。所述微流控系统的结构并不限于本发明上述记载的实施例的范围，可以根据实际需要而特别建造。
为了验证本发明的微流控芯片装置的微流控结构，申请人还对图1和图2中的微流控系统11的结构进行了扫描，并获得了如图3A和图3B所示的电镜图片。使用该方法制备的微流控系统并在实际使用过程中获得了如图4所示的水油两相液滴图。由图3A、图3B和图4可以看出，本发明的微流控芯片装置具有非常好的微流控结构。
本发明的微流控芯片装置及其制备方法，利用3D打印技术结合特殊设置的芯片夹具，提出了一种高效快速又低成本的微流控芯片装置。本发明的微流控芯片装置既具有非常好的微流控结构，又能灵活拆卸，便于样品取出和清洗内部流道，克服了传统制造方法中因不可逆地密封而产生微流控系统内部样品无法取出或无法重复使用的技术问题。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
Claims (2)
1.一种微流控芯片装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法是先以3D打印技术制得三维微流通道的模具，然后在模具上浇筑微流控系统的材料，待固化后脱模，获得微流控系统的结构层；将微流控系统的结构层与底板相结合，并夹设于一夹具的上层和下层之间，再通过螺栓紧固密封后，即获得微流控芯片装置；其中，
所述微流控系统的模具的材料为硅橡胶；
浇筑于所述模具上的微流控系统的材料为聚二甲基硅氧烷预聚物溶液，所述聚二甲基硅氧烷预聚物溶液由聚二甲基硅氧烷预聚物与固化剂按10～15:1的质量比混合而成。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)模具打印
使用3D打印技术制得微流控系统的模具，所述模具材料为硅橡胶；
(2)微流控系统的结构层的成型
在步骤(1)获得的模具上浇筑聚二甲基硅氧烷预聚物溶液，以70～90℃固化12～20小时后脱模，获得微流控系统的结构层；
(3)微流控芯片装置的制作
将步骤(2)获得的微流控系统的结构层与一微流控系统的底板相结合，形成微流控系统；将所述微流控系统夹设于一夹具的上层和下层之间，并使用螺栓紧固连接所述夹具上层和下层后，即获得微流控芯片装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180720 |