CN110114146B - 微流体装置上的uv接枝 - Google Patents

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Abstract

公开了用于用具有侧链掺混物的接枝共聚物共价修饰聚合物表面的组合物、装置和方法。接枝共聚物的卤化丙烯酸和聚亚烷基二醇丙烯酸侧链向聚合物表面提供了高疏水性，以及增加的对蛋白质物质的生物污着的抗性。该聚合物表面可特别用于微流体装置和方法，其涉及将共价修饰的聚合物表面与在油载体相内含生物大分子的水性液滴的乳液接触。

Description

微流体装置上的UV接枝
相关申请交叉引用
本申请要求2016年12月20日提交的美国临时专利申请第62/436,831号的优先权，其全部内容通过引用全文纳入本文。
背景技术
环烯烃聚合物(COP)和环烯烃共聚物(COC)微流体装置的界面表面张力与例如基于液滴的微流体应用相关，其中水性液滴在全氟化或硅氧烷基油中被操纵。通常可以通过调节表面化学来改变材料的表面张力性质。不幸的是，通常用于微流体装置的COP和COC基材的相对非反应性使得它们的表面修饰困难或在某些情况下变得不可能。
先前改进微流体装置表面张力的努力集中于COP和COC基材的硅烷修饰(Zhou(2010)Electrophoresis 31：2；Gandhiraman(2010)J.Mater.Chem.20：4116；和Dudek(2009)Langmuir 25：11155)。发现该方法产生具有不一致质量和性能的表面，可能是因为硅烷没有共价附连到基材上。相反，硅烷最可能在溶液中预先水解，作为网络聚合物物理吸附在COP/COC基材上。
最近用于修饰COP和COC基材表面的替代技术涉及在微流体通道内的整体结构上的UV-接枝聚合(美国专利号7,431,888)。在单体溶液相的存在下使用二苯甲酮光引发剂允许用具有丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯官能团的多种单体对COP和COC基材进行共价修饰。这些单体也可以用亲氟，疏水，亲水和带正电荷的基团封端。
发明内容
对于一些微流体应用，期望微流体表面不仅是疏水的，而且是非生物污着的。以这种方式，微流体装置内的表面可以更好地抵抗来自水相液滴的蛋白质材料的积聚。另外，通过产生稳健的共价附连的方法生产具有这些表面性质的表面可能是有益的。
本文一般提供了组合物，装置和方法，其特征在于用接枝共聚物对表面进行共价修饰。接枝共聚物包括单体混合物，发现所述单体产生高水接触角和低生物污着易感性的期望表面性质。表面的改善的抗生物污着性使得表面即使在暴露于蛋白质溶液之后也能保持优异的疏水特性，否则蛋白质溶液会影响表面张力。另外，接枝共聚物与表面基材的共价附连能产生更稳健且变化更小的表面。
一种提供的共价修饰的聚合物表面包括接枝共聚物，其中接枝共聚物包括主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链和氟化丙烯酸侧链。共价修饰的聚合物表面具有大于100°的水接触角，并且当暴露于1mg/mL牛血清白蛋白水性溶液1小时时，该水接触角变化小于10°。
在一些实施方式中，主链聚合物是环烯烃聚合物(COP)或环烯烃共聚物(COC)。在一些实施方式中，主链聚合物是COP。在一些实施方式中，主链聚合物是COC。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链包括丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链包括1H，1H，2H，2H-全氟癸基丙烯酸酯。在一些实施方式中，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链包括丙烯酸聚乙二醇酯。在一些实施方式中，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量在150至1500的范围内。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比在1∶3至3∶1的范围内。在一些实施方式中，主链聚合物是COC，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链包括丙烯酸聚乙二醇酯，并且氟化丙烯酸侧链包括丙烯酸全氟化烷基酯。
还提供了一种包括具有内表面的微流体通道的装置，其中内表面包括根据一个实施方式的共价修饰的聚合物表面。
还提供了一种使具有液滴的乳液移动通过微流体通道的方法，该方法包括提供根据一个实施方式的装置。该方法还包括提供包含液滴和乳液流体(emulsion fluid)的乳液。该方法还包括提供足以使乳液移动通过装置的微流体通道的力。
在一些实施方式中，液滴是水性液滴，包括足以进行聚合酶链式反应的核酸和试剂。在一些实施方式中，乳液流体包括氟化油或硅油。
还提供了一种制备共价修饰聚合物表面的方法，该方法包括使聚合物表面与包含丙烯酸聚亚烷基二醇酯，氟化丙烯酸单体，有机溶剂和光引发剂的混合物接触。该方法还包括将聚合物表面和混合物暴露于紫外(UV)辐射，使得聚合物表面被共价修饰。
在一些实施方式中，主链聚合物是COP或COC。在一些实施方式中，主链聚合物是COP。在一些实施方式中，主链聚合物是COC。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链包括丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链包括1H，1H，2H，2H-全氟癸基丙烯酸酯。在一些实施方式中，丙烯酸聚亚烷基二醇酯包括丙烯酸聚乙二醇酯。在一些实施方式中，丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量在150至1500的范围内。在一些实施方式中，混合物中丙烯酸聚亚烷基二醇酯与氟化丙烯酸单体的质量浓度比在1∶3至3∶1的范围内。在一些实施方式中，有机溶剂包括丙酮。在一些实施方式中，聚合物表面包括COC，其中丙烯酸聚亚烷基二醇酯包括丙烯酸聚乙二醇酯，并且其中氟化丙烯酸单体包括丙烯酸全氟化烷基酯。
在一些实施方式中，该混合物还包含3-乙氧基-1，1，1，2，3，4，4，5，5，6，6，6-十二氟-2-三氟甲基-己烷。在一些实施方式中，光引发剂包括二苯甲酮。在一些实施方式中，混合物中光引发剂的浓度在125mg/mL至1.3mg/L的范围内。在一些实施方式中，UV辐射的波长在325nm至400nm的范围内。在一些实施方式中，UV辐射的剂量为0.8mW至8mW的范围内。
在一些实施方式中，修饰的聚合物表面具有大于100°的水接触角。在一些实施方式中，修饰的聚合物表面在暴露于1mg/mL牛血清白蛋白水性溶液1小时后具有小于10°的水接触角变化。在一些实施方式中，聚合物表面是微流体通道的内表面。
附图说明
图1是根据实施方式用接枝共聚物共价修饰的几个聚合物表面的水接触角的图。图上的每个点表示具有氟化丙烯酸侧链形式的接枝共聚物侧链的不同部分的表面。误差棒表示每个表面的三次测量的标准偏差。
图2是在将表面暴露于1mg/mL明胶1小时后，图1的聚合物表面的水接触角的图。图上的每个点表示具有氟化丙烯酸侧链形式的接枝共聚物侧链的不同部分的表面。误差棒表示每个表面的三次测量的标准偏差。
图3是图1和图2的接触角测量值之间的差异图。图上的每个点表示具有氟化丙烯酸侧链形式的接枝共聚物侧链的不同部分的表面。
具体实施方式
I.概述
本发明提供了共价修饰的聚合物表面，其具有高水接触角并且在暴露于蛋白质溶液时具有高的抗降解或抗污着性。发明人已经发现特定的共聚物组合物和附连方法能够提供稳健的表面修饰，其改善界面表面张力和生物污着抗性。本发明还提供了具有内表面的微流体装置，所述内表面包括提供的共价修饰的聚合物表面，使具有液滴的乳液移动通过所提供的微流体装置的微流体通道的方法，以及制备所提供的共价修饰的聚合物表面的方法。
II.定义
除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本领域普通技术人员通常所理解的同样含义。本发明的实践中可以使用与本文所述类似或等价的方法、装置和材料。提供以下定义是用来帮助理解本文经常用到的某些术语，不对本发明的范围构成限制。本文所用的缩写具有其在化学和生物领域内的常规涵义。
“聚合物”是指由彼此共价连接的多个重复结构单元(单体单元)组成的有机物质。
“共聚物”是指衍生自两种或更多种单体物质的聚合物，与其中仅使用一种单体的均聚物相反。例如，给定单体物质A和B，交替共聚物可具有-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-的形式。作为替代实例，给定单体物质A和B，无规共聚物可具有-A-A-B-A-B-B-A-B-A-A-A-B-B-B-B-A-的形式。作为另一个实例，给定单体物质A和B，嵌段共聚物可具有-(A-A-A)-(B-B-B)-(A-A-A)-(B-B-B)-(A-A-A)-的形式。
“接枝共聚物”是指具有主链或骨架的共聚物，具有不同化学组成的侧链附连在沿其主链的不同位置。例如，主链可以由第一聚合物形成，侧链可以由第二聚合物形成，其中第一聚合物和第二聚合物具有不同的化学组成。侧链可以通过共价键合在沿主链的不同位置处接枝或附连以形成接枝共聚物。接枝共聚物的侧链可包含与主链或骨架聚合物中的那些不同的构成或构型特征。
“主链聚合物”是指线性聚合物链，所有其他侧链被认为与其侧接的(pendant)。
“侧链”是指从主链附加的聚合物的部分。
“烷基”指具有指定数量碳原子的直链或支链饱和脂肪烃基。烷基可包括任何数目的碳，例如C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6、C1-7、C1-8、C1-9、C1-10、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6、C3-4、C3-5、C3-6、C4-5、C4-6和C5-6。例如，C1-6烷基包括但不限于：甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、异戊基、己基等。烷基还可指具有最多20个碳原子的烷基，例如但不限于庚基、辛基、壬基、癸基等。芳基可以是取代的或未取代的。
“亚烷基”是指具有所示碳原子数，并且连接至少两个其他基团，即二价烃基的直链或支链饱和脂族基团。与亚烷基相连的两个部分可以与亚烷基的相同或不同原子连接。例如，直链亚烷基可以是-(CH2)n-的二价基团，其中n是1、2、3、4、5或6。代表性的亚烷基包括但不限于亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚异丙基、亚丁基、亚异丁基、亚仲丁基、亚戊基和亚己基。亚烷基可以是取代的或未取代的。
“聚亚烷基二醇”是指直链或支化聚乙二醇，聚丙二醇，聚丁二醇及其衍生物。聚亚烷基二醇衍生物的示例性实施方式是己二酸二酰肼-甲氧基-聚乙二醇酯。其他实例包括单烷基聚亚烷基二醇丙烯酸类，甲氧基聚(乙二醇)(mPEG)，聚(四亚甲基二醇)，聚(环氧乙烷-共-环氧丙烷)，或其共聚物和组合。
“卤素”指氟、氯、溴和碘。
“接触角”是指在水平固体表面和当放置在固体表面上时保持一定透镜形状的液滴的液体表面之间形成的角度。接触角是液体和固体表面特性的特征。
“乳液”是指通常不互容的两种或更多种流体的混合物。乳液可以包括在第二相中的第一相，例如，在油相中的水相。在一些情况中，乳液包括超过两相。乳液可包括用于稳定乳液的颗粒，和/或用作覆层(例如液滴外层)的颗粒。
“油”是指任意液体化合物或液体化合物的混合物，其与水不互溶且其大部分分子量是碳的形式的。在一些示例中，油还具有高含量的氢、氟、硅、氧或其任意组合等。
“液滴”是指由不互溶的流体(例如乳液的连续相或载液)包封的小体积的液体，通常具有球形形状。液滴的体积和/或乳液中液滴的平均体积可以是，例如，小于1微升(即“微滴”)，小于1纳升，或小于1皮升等。液滴的直径(或乳液中的液滴可具有的平均直径)可小于1000、100或10微米等。液滴可以是球形或非球形的。液滴可以是简单的液滴或复合液滴，即，其中至少一个液滴包封至少一个其它液滴的液滴。从孔口产生的液滴可以是单分散的(由至少大致均匀尺寸的液滴组成)或多分散的。
乳液的液滴可以在连续相中具有任意均匀或非均匀的分布。如果是非均匀的，则液滴的浓度可以变化，从而在连续相中提供较高液滴密度的一个或多个区域以及较低液滴密度的一个或多个区域。例如，液滴可以在连续相中下沉或浮动，可以沿着通道聚集在一个或多个分组中，可以向着流动流的中心或周边集中等。
“微流体通道”是指用于携带或保持流体的通道或容器，其最窄尺寸通常不超过5毫米。
“核酸”或“多核苷酸”是指单链或双链形式的脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)及其聚合物。除非具体限定，该术语包括含有已知核苷酸类似物或修饰的主链残基或连接的核酸，其是合成的、天然产生的和非天然产生的，其与参比核酸具有相似结合性质，且以与参比核苷酸相似的方式代谢。这种类似物的示例包括但不限于：硫代磷酸(酯)、氨基磷酸(酯)、甲基膦酸(酯)、手性甲基膦酸(酯)、2-O-甲基核糖核苷酸和肽核酸(PNA)。除非另有说明，特定核酸序列也包括其保守修饰变体(如，简并密码子取代)，等位基因，直向同源物，单核苷酸多态性(SNP)和互补序列，以及明确指出的序列。具体而言，可通过产生一个或多个选定(或所有)密码子的第三个位置被混合碱基和/或脱氧肌苷残基取代的序列来获得简并密码子取代形式(Batzer等，(191)Nucleic Acid Res.19：5081；Ohtsuka等，(1985)J.Biol.Chem.260：2605；和Rossolini等，(1994)Mol.Cell.Probes8：91)。
多核苷酸或核酸的非限制性实例包括DNA，RNA，基因或基因片段的编码或非编码区，基因间DNA，由连锁分析定义的基因座，外显子，内含子，信使RNA(mRNA)，转移RNA(tRNA)，核糖体RNA(rRNA)，短干扰RNA(siRNA)，短发夹RNA(shRNA)，微小RNA(miRNA)，小核仁RNA(snoRNA)，核酶，脱氧核苷酸(dNTP)或双脱氧核苷酸(ddNTP)。多核苷酸还可以包括互补DNA(cDNA)，其是mRNA的DNA表现形式，通常通过信使RNA(mRNA)的逆转录或通过扩增获得。多核苷酸还可以包括合成或通过扩增产生的DNA分子，基因组DNA(gDNA)，重组多核苷酸，支链多核苷酸，质粒，载体，任何序列的分离的DNA，任何序列的分离的RNA，核酸探针或引物。多核苷酸可以包括修饰的核苷酸，如甲基化的核苷酸和核苷酸类似物。如果存在，对核苷酸结构的修饰可在聚合物的组装之前或之后赋予。核苷酸序列可间插有非核苷酸组分。多核苷酸聚合后可以被进一步修饰，如通过与标记组分结合。除非另有说明，否则多核苷酸序列在提供时以5′至3′方向列出。
核酸或多核苷酸可以是双链或三链核酸，以及单链分子。在双链或三链核酸中，核酸链不需要是共延伸的，例如，双链核酸不需要沿两条链的整个长度都是双链的。
核酸修饰可以包括添加化学基团，所述化学基团将额外电荷，极化性，氢键，静电相互作用和功能性掺入单独的核酸碱基或整体核酸。这些修饰包括碱基修饰，例如2′-位糖修饰，5-位嘧啶修饰，8-位嘌呤修饰，胞嘧啶环外酰胺的修饰，S-溴-尿嘧啶的取代，骨架修饰，不寻常的碱基配对组合，例如异碱基(isobase)、异胞苷和异胍(isoguanidine)等。
核酸可以来自完全化学合成过程，例如固相介导的化学合成，来自生物来源，例如通过从产生核酸的任何物种中分离，或来自涉及通过分子生物学工具操作核酸的过程，如DNA复制，PCR扩增，逆转录，或来自这些过程的组合。
“反应”是指化学反应，结合相互作用，表型变化或其组合，其通常提供指示反应发生和/或发生程度的可检测信号(例如，荧光信号)。示例性反应是酶反应，其涉及酶催化的基材向产物的转化。
“聚合酶链式反应”或“PCR”是指靶双链DNA的特定区段或子序列得以几何级数式扩增的一种方法。PCR是本领域技术人员所熟知的；参见例如，美国专利号4,683,195和4,683,202；和《PCR方案：方法和应用指南》(PCR Protocols：A Guide to Methods andApplications)，Innis等编，1990。示例性PCR反应条件一般包括两步或三步循环。两步循环具有变性步骤，之后是杂交/延伸步骤。三步循环包括变性步骤，之后是杂交步骤，之后是独立的延伸步骤。PCR可以终点PCR(即仅在终点处监测)或定量PCR(“实时”监测)的方式进行。
“聚合酶”是指进行模板引导的多核苷酸合成的酶。该术语同时包括全长多肽和具有聚合酶活性的结构域。DNA聚合酶是本领域技术人员熟知的，包括但不限于从激烈火球菌(Pyrococcus furiosus)、滨海嗜热球菌(Thermococcus litoralis)和海栖热袍菌(Thermotoga maritime)分离或衍生的DNA聚合酶或其修饰形式。它们包括DNA依赖性聚合酶和RNA依赖性聚合酶，如逆转录酶。已知至少5个DNA-依赖DNA聚合酶家族，虽然大多数落入A、B和C家族。各家族之间几乎没有或没有序列相似性。大多数A家族聚合酶是可含有多重酶促功能(包括聚合酶、3′到5′核酸外切酶活性和5′到3′核酸外切酶活性)的单链蛋白质。B家族聚合酶通常有具有聚合酶和3′到5′核酸外切酶活性的单个催化结构域，以及辅助因子。C家族聚合酶通常是具有聚合和3′到5′核酸外切酶活性的多亚基蛋白质。在大肠杆菌中，已经发现了3种类型的DNA聚合酶，DNA聚合酶I(A家族)、DNA聚合酶II(B家族)和DNA聚合酶III(C家族)。在真核细胞中，核复制中涉及3种不同的B家族聚合酶，DNA聚合酶α、δ和ε，并且A家族聚合酶，聚合酶γ用于线粒体DNA复制。其它类型的DNA聚合酶包括噬菌体聚合酶。相似地，RNA聚合酶通常包括真核RNA聚合酶I、II和III，和细菌RNA聚合酶以及噬菌体和病毒聚合酶。RNA聚合酶可以是DNA依赖性和RNA依赖性的。
“光引发剂”是指在照射后引发聚合过程的化合物。光引发剂可以产生酸(光酸产生剂或PAG)或自由基，以及其他起始物质。然后，酸，自由基或其他物质引发聚合。
“有机溶剂”是指能够溶解水溶性和水不溶性有机化合物中的一种或两种的水混溶性或不混溶性溶剂。
“光接枝”是指这样的方法，其中通常具有紫外(UV)光波长的电磁辐射用于引发聚合反应，其中单体或聚合物接枝到聚合物表面上。
III.聚合物表面
通常用于制造微流体装置的聚合物表面本质上是疏水的。该性质对于其中微流体装置用于处理在大量有机相中载有水相的应用是非常有利的。例如，更疏水的表面将与油乳液中存在的水性液滴具有更弱的相互作用，从而对液滴完整性和形态提供更少的破坏。然而，这种频繁强疏水性的另一个结果是聚合物表面更可能捕获水相中存在的大分子或其他化合物。这可能导致来自水相中的化合物的浓度变化或甚至损失，从而干扰微流体装置的正常功能。这种捕获的分子的累积也会阻塞或污着通道，导致流动受限和效率降低。当捕获的化合物是生物大分子，例如蛋白质时，该现象被称为生物污着。这种生物污着还可以负面地影响聚合物表面的有益疏水性，使其更容易与水相发生不希望的相互作用。所提供的聚合物表面通过聚合物表面化学的共价修饰来减轻这些发生。
本文提供了几种共价修饰的聚合物表面。聚合物表面包括接枝共聚物，其包括主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链和卤化丙烯酸侧链。在一些实施方式中，卤化丙烯酸侧链是氟化丙烯酸侧链。接枝共聚物是支化共聚物，其中主链是主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链和卤化丙烯酸侧链是从该主链附加的支链。
通常选择接枝共聚物的主链聚合物以具有有益于微流体装置应用的性质。这些可包括高耐溶剂性，低吸湿性，低介电损耗和足够的光学透明度。接枝共聚物的主链聚合物可以是，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚乙烯，聚丙烯(PP)，环烯烃聚合物(COP)或环烯烃共聚物(COC)。在一些实施方式中，主链聚合物是COP。在一些实施方式中，主链聚合物是COC。
在一些实施方式中，针对低表面能，耐化学性和疏水性选择接枝共聚物的氟化丙烯酸侧链，并且可以是单体或聚合物的形式。氟化丙烯酸侧链可包括丙烯酸氟化烷基酯或甲基丙烯酸氟化烷基酯。氟化丙烯酸侧链可包括丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。氟化丙烯酸侧链可包括，例如，丙烯酸六氟异丙酯，甲基丙烯酸六氟异丙酯，甲基丙烯酸六氟丁酯，甲基丙烯酸四氟丙酯，甲基丙烯酸三氟乙酯，丙烯酸七氟丁酯，甲基丙烯酸七氟丁酯，丙烯酸五氟丙酯，甲基丙烯酸八氟戊酯，甲基丙烯酸五氟丙酯，甲基丙烯酸十三氟辛酯，甲基丙烯酸十七氟癸酯，丙烯酸十三氟辛酯，丙烯酸二十一氟十二烷基酯，丙烯酸八氟戊酯，丙烯酸十二氟庚酯，丙烯酸六氟丁酯，甲基丙烯酸五氟苯基酯，丙烯酸五氟苯基酯，丙烯酸三氟乙酯，丙烯酸全氟癸酯，或其衍生物或组合。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链包括1H，1H，2H，2H-全氟癸基丙烯酸酯。
在一些实施方式中，针对空间位阻和亲水性效应选择接枝共聚物的聚亚烷基二醇丙烯酸侧链，其可增加对蛋白质粘附的抗性。聚亚烷基二醇丙烯酸侧链可以是丙烯酸聚亚烷基二醇酯，甲基丙烯酸聚亚烷基二醇酯或其取代的衍生物。聚亚烷基二醇丙烯酸侧链可以是，例如，丙烯酸聚乙二醇酯，丙烯酸丙二醇酯，丙烯酸聚丁二醇酯，甲基丙烯酸聚乙二醇酯，甲基丙烯酸聚丙二醇酯，甲基丙烯酸聚丁二醇酯，或其衍生物。在一些实施方式中，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链是丙烯酸聚乙二醇酯。
接枝共聚物的聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量可以在50至4800的范围内。聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量可以在50至120，120至300，300至770，770至1900或1900至4800的范围内。聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量可以在150至240，240至370，370至620，620至960或960至1500的范围内。在一些实施方式中，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量在150至1500的范围内。
接枝共聚物中氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比可以在1：10至10：1的范围内。例如，氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比可以在1∶10至1∶3，1∶3至1∶1.4，1∶1.4至1.4∶1，1.4∶1至3∶1，或3∶1至10∶1的范围内。氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比可以在1∶3至1∶1.9，1∶1.9至1∶1.2，1∶1.2至1.2∶1，1.2∶1至1.9，或1.9∶1至1.3的范围内。在一些实施方式中，氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比在1∶3至3∶1的范围内。
共价修饰的聚合物表面的水接触角是表面疏水性的量度。如上所述，具有更多疏水性质的表面更适合用于其中要保持非水相内水相(例如液滴)的完整性的应用。共价修饰聚合物表面的水接触角可以大于94°，大于96°，大于98°，大于100°，大于102°，大于104°，大于106°，大于108°，大于110°，大于112°，大于114°，大于116°，大于118°，或大于120°。在一些实施方式中，共价修饰的聚合物表面的水接触角大于100°。
聚合物表面的生物污着会对其所需的疏水性能产生负面影响。当用于修饰聚合物表面时，本文所述的接枝共聚物的具体构型可以减轻这些生物污着效应。聚合物表面抵抗生物污着的能力的合适测试是测量和比较暴露于蛋白质水溶液之前和之后的表面的水接触角。例如，可将表面暴露于1mg/mL牛血清白蛋白(BSA)水性溶液或明胶溶液1小时，测定该暴露之前和之后的水接触角。作为接枝共聚物的结果，当暴露于该BSA或明胶溶液时，共价修饰的聚合物表面可以表现出其水接触角小于20°，小于18°，小于16°，小于14°，小于12°，小于10°，小于8°，小于6°，小于4°，或小于2°的变化。在暴露于蛋白质溶液至少5分钟，至少10分钟，至少20分钟，至少30分钟，至少1小时，至少2小时，至少3小时，至少4小时，至少5小时，至少10小时，至少20小时或至少1天后可以观察到任何上述水接触角变化。在一些实施方式中，共价修饰的聚合物表面在暴露于1mg/mL牛血清白蛋白水性溶液1小时后具有小于10°的水接触角变化。
IV.产生聚合物表面的方法
还提供了用于产生共价修饰的聚合物表面的方法。该方法包括使聚合物表面与包含丙烯酸聚亚烷基二醇酯，氟化丙烯酸单体，有机溶剂和光引发剂的混合物接触。该方法还包括将聚合物表面和混合物暴露于紫外(UV)辐射，使得聚合物表面被共价修饰。
通常选择该方法的聚合物表面以具有有益于在微流体装置中应用的性质。这些可包括增加的耐溶剂性，降低的吸湿性，低介电损耗和足够的光学透明度。聚合物表面可以包括，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯(PC)，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚乙烯，聚丙烯(PP)，环烯烃聚合物(COP)或环烯烃共聚物(COC)。在一些实施方式中，聚合物表面包括COP。在一些实施方式中，聚合物表面包括COC。
通常针对空间位阻和亲水性作用选择该方法的丙烯酸聚亚烷基二醇酯，其可以增加对蛋白质粘附的抗性。丙烯酸聚亚烷基二醇酯可以是，例如，丙烯酸聚乙二醇酯，丙烯酸丙二醇酯，丙烯酸聚丁二醇酯，或其衍生物。在一些实施方式中，丙烯酸聚亚烷基二醇酯是丙烯酸聚乙二醇酯。
该方法的丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量可以在50至4800的范围内。丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量可以在50至120，120至300，300至770，770至1900或1900至4800的范围内。丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量可以在150至240，240至370，370至620，620至960或960至1500的范围内。在一些实施方式中，丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量在150至1500的范围内。
通常针对低表面能，耐化学性和疏水性选择该方法的氟化丙烯酸类单体。氟化丙烯酸单体可以是丙烯酸氟化烷基酯或甲基丙烯酸氟化烷基酯。氟化丙烯酸单体可以是丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。氟化丙烯酸单体可以是，例如，丙烯酸六氟异丙酯，甲基丙烯酸六氟异丙酯，甲基丙烯酸六氟丁酯，甲基丙烯酸四氟丙酯，甲基丙烯酸三氟乙酯，丙烯酸七氟丁酯，甲基丙烯酸七氟丁酯，丙烯酸五氟丙酯，甲基丙烯酸八氟戊酯，甲基丙烯酸五氟丙酯，甲基丙烯酸十三氟辛酯，甲基丙烯酸十七氟癸酯，丙烯酸十三氟辛酯，丙烯酸二十一氟十二烷基酯，丙烯酸八氟戊酯，丙烯酸十二氟庚酯，丙烯酸六氟丁酯，甲基丙烯酸五氟苯基酯，丙烯酸五氟苯基酯，丙烯酸三氟乙酯，丙烯酸全氟癸酯，或其衍生物。在一些实施方式中，氟化丙烯酸单体是1H，1H，2H，2H-全氟癸基丙烯酸酯。
该方法的氟化丙烯酸单体与丙烯酸聚亚烷基二醇酯的质量比可以在1∶10至10∶1的范围内。氟化丙烯酸单体与丙烯酸聚亚烷基二醇酯的质量比可以在1∶10至1∶3，1∶3至1∶1.4，1∶1.4至1.4∶1，1.4∶1至3∶1，或3∶1至10∶1的范围内。氟化丙烯酸单体与丙烯酸聚亚烷基二醇酯的质量比可以在1∶3至1∶1.9，1∶1.9至1∶1.2，1∶1.2至1.2∶1，1.2∶1至1.9，或1.9∶1至1.3的范围内。在一些实施方式中，氟化丙烯酸单体与丙烯酸聚亚烷基二醇酯的质量比在1∶3至3∶1的范围内。
针对其有效溶解丙烯酸聚亚烷基二醇酯和/或氟化丙烯酸单体的能力选择该方法的有机溶剂。可以进一步选择有机溶剂以在UV范围内具有低的电磁辐射吸收。可以进一步选择有机溶剂以使夺氢最小化，并且通过例如终止反应将所得溶剂引入聚合物表面。有机溶剂可以是致孔溶剂，其能够增加聚合物表面的孔隙率和/或反应性位点可及性。有机溶剂可包括醇，例如乙醇，甲醇，癸醇，叔丁醇，环己醇，丁二醇或其衍生物。有机溶剂可包括醚，例如二噁烷，四氢呋喃(THF)，甲基叔丁基醚(MTBE)或其衍生物。有机溶剂可包括酮，例如丙酮或其衍生物。有机溶剂可包括腈，例如乙腈或其衍生物。有机溶剂可包括烷烃，例如己烷或其衍生物。有机溶剂可包括苯衍生物，例如甲苯，氯苯或其衍生物。有机溶剂可包括甲酰胺衍生物，例如二甲基甲酰胺(DMF)。有机溶剂可包括两种或更多种溶剂的组合，或一种或多种溶剂和水的组合。在一些实施方式中，有机溶剂包括丙酮。在一些实施方式中，有机溶剂包括3-乙氧基-1，1，1，2，3，4，4，5，5，6，6，6-十二氟-2-三氟甲基-己烷，可以商品名NOVEC7500购得。在一些实施方式中，有机溶剂包括丙酮和3-乙氧基-1，1，1，2，3，4，4，5，5，6，6，6-十二氟-2-三氟甲基-己烷。
针对其在暴露于UV光时从聚合物表面夺氢的能力选择该方法的光引发剂。光引发剂可以是，例如，二苯甲酮，2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮，二甲氧基苯乙酮，呫吨酮，噻吨酮，或其衍生物或混合物。在一些实施方式中，光引发剂包括二苯甲酮。该方法混合物中光引发剂的浓度可以在40mg/mL至4g/ml的范围内。光引发剂的浓度可以在40mg/L至100mg/L，100mg/L至250mg/mL，250mg/L至640mg/mL，640mg/L至1.6g/mL，或1.6g/mL至4g/mL的范围内。光引发剂的浓度可以在125mg/L至200mg/mL，200mg/mL至300mg/mL，300mg/mL至520mg/mL，520mg/mL至800mg/mL，或800mg/mL至1.3g/mL的范围内。在一些实施方式中，该方法的混合物中光引发剂的浓度在125mg/mL至1.3g/mL的范围内。可以向混合物中加入表面活性剂以增加光引发剂，氟化丙烯酸单体或丙烯酸聚亚烷基二醇酯中一种或多种的溶解度。
为了共价修饰聚合物表面，将表面和混合物暴露于UV辐射，引发光接枝反应。UV辐射的波长可以在100nm至400nm的范围内。UV辐射的波长可以在100nm至175nm，175nm至250nm，250nm至325nm，或325nm至400nm的范围内。UV辐射的波长可以在325nm至350nm，350nm至375nm，或375nm至400nm的范围内。在一些实施方式中，引发该方法的光接枝的UV辐射的波长在325nm至400nm的范围内。
引发该方法的光接枝的UV辐射的功率可以在0.25mW至25mW的范围内。UV辐射的功率可以在0.25mW至0.65mW，0.65mW至1.55mW，1.55mW至4mW，4mW至10mW，或10mW至25mW的范围内。UV辐射的功率可以在0.8mW至1.25mW，1.25mW至1.9mW，1.9mW至3.25mW，3.25mW至5mW，或5mW至8mW的范围内。在一些实施方式中，引发该方法的光接枝的UV辐射的功率在0.8mW至8mW的范围内。
引发该方法的光接枝的UV辐射的暴露时间可小于20秒。UV辐射的暴露时间可以在20秒至45秒，45秒至2分钟，2分钟至5分钟，5分钟至12分钟，或12分钟至30分钟的范围内。引发该方法的光接枝的UV辐射的暴露时间可以大于30分钟。
UV辐射可以以局部方式施加，在一些区域或位置处修饰表面聚合物，同时使其它区域处于未修饰状态。以这种方式，可以生产聚合物表面，其在不同位置具有例如不同程度的疏水性和亲水性。可以类似地生产在不同位置具有不同程度的生物污着抗性的聚合物表面。
V.微流体装置和方法
如上所述，本文所述的共价修饰的聚合物表面是用于制造微流体装置的特别有用的元件，所述微流体装置处理具有不同水相和非水相的乳液。因此，还提供了具有内部聚合物表面的微流体通道。内部聚合物表面包括接枝共聚物，其包括主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链和氟化丙烯酸侧链。还提供了包括这种微流体通道的微流体装置。在一些实施方式中，微流体装置的基本上所有微流体通道或微流体通道区域包括如本文所述的共价修饰的聚合物表面。在一些实施方式中，微流体装置的微流体通道或微流体通道区域的一部分包括如本文所述的共价修饰的聚合物表面。
还提供了用于使液滴乳液移动通过微流体通道的方法。该方法包括提供微流体装置，其中微流体装置包括微流体通道。微流体通道包括内表面，其中内表面包括共价修饰的聚合物表面。共价修饰的聚合物表面包括接枝共聚物，其中接枝共聚物包括主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链和氟化丙烯酸侧链。该方法还包括提供乳液，其中乳液包括液滴和乳液流体。该方法还包括提供足以使乳液移动通过微流体装置的微流体通道的力。
该方法的乳液在例如DNA测序等应用中是常见的，其中单独的聚合酶链式反应(PCR)可以在水-油乳液的每个或几个不同的水性液滴中进行。示例性DNA测序应用包括数字PCR或液滴数字PCR(DDPCR)。该方法的乳液可以是水-油乳液。乳液可包括两相，或多于两相。该方法还可以应用于包括多种乳液的应用，每种乳液可以具有两个或更多个相。不同乳液中不同相的组成可以相同，相似或不同。乳液可具有另外的组分，包括一种或多种表面活性剂，试剂，样品，标记物，颗粒或其组合。在一些实施方式中，油是或包括至少一种硅油、矿物油、碳氟化合物或氟化油、植物油或其组合等。
乳液的特征在于各相中主要的液体化合物或液体化合物的类型。在一些实施方式中，乳液中的主要液体化合物是水和油。在一些实施方式中，乳液包含位于非水性连续相中的水相液滴。在一些实施方式中，形成的乳液包含位于水性连续相中的非水相液滴。在一些实施方式中，在各液滴和连续相之间产生界面外层(interfacial skin)，以将液滴转化为胶囊。在一些实施方式中，所提供的水相包含外层形成性蛋白质和至少一种表面活性剂。在一些实施方式中，乳液还包含间隔液，所述间隔液可与连续相混溶并具有不同于连续相的组成。DDPCR乳液组分的示例性描述可见于美国专利申请号2014/0152369，其通过引用全文纳入本文用于所有目的。乳液形成方法的示例性描述可见于美国专利申请号2012/0152369，其通过引用纳入本文用于所有目的。本文公开的任意乳液可以是单分散的，即，由至少大致均匀尺寸的液滴组成；或者可以是多分散的，即由不同尺寸的液滴组成。从孔口产生的液滴可以类似地是单分散或多分散的。
乳液的至少一部分液滴可包含核酸。至少一部分液滴可包含足以进行PCR的试剂。用于PCR的试剂可包含聚合酶。任何合适的PCR技术或技术组合可与本文公开的装置和方法一起使用。这些PCR技术包括等位基因特异性PCR，组装PCR，不对称PCR，数字PCR，终点PCR，热启动PCR，原位PCR，交叉序列特异性PCR，反向PCR，指数后的线性PCR，连接介导的PCR，甲基化-特异性PCR，微引物PCR，多重连接依赖性探针扩增，多重PCR，巢式PCR，重叠延伸PCR，聚合酶循环组装，定性PCR，定量PCR，实时PCR，RT-PCR，单细胞PCR，固相PCR，热不对称交错PCR，降落PCR或通用快走PCR等。
乳液的至少一部分液滴可包含足以用于除PCR之外的反应的酶或其他试剂。可以用本文公开的装置和方法进行任何合适的酶催化反应。例如，反应可以通过激酶，核酸酶，核苷酸环化酶，核苷酸连接酶，核苷酸磷酸二酯酶，聚合酶(DNA或RNA)，苯基转移酶，焦磷酸酶，报告酶(例如碱性磷酸酶，β-半乳糖苷酶，氯霉素乙酰转移酶，葡萄糖醛酸酶，辣根过氧化物酶，荧光素酶等)，逆转录酶，拓扑异构酶等。
VI.实施例
实施例1.用接枝共聚物共价修饰聚合物表面
制备丙酮中丙烯酸全氟癸酯的溶液和丙酮中的480Da丙烯酸聚乙二醇酯的溶液，各自浓度为33％v/v。然后通过将各种溶液以不同比例混合至总体积1mL来产生丙烯酸全氟癸酯和丙烯酸聚乙二醇酯的混合物。相对于丙烯酸全氟癸酯和丙烯酸聚乙二醇酯的总量，所产生的混合物具有0、25、50、75和100质量百分比的丙烯酸全氟癸酯。向每种混合物中加入0.4g/mL二苯甲酮光引发剂。使五个COC基材中的每一个与具有不同百分比的丙烯酸全氟癸酯的混合物接触，并于2-3mW剂量的365nm UV辐射下暴露2分钟。用丙酮然后用水冲洗表面。
然后每次测量使用2.5μL水测量每个表面的水接触角(设三个重复)，结果如错误！未找到参考源。所示。从图中可以看出，用具有侧链的共聚物光接枝的聚合物表面表现出更高的疏水性，其侧链是丙烯酸全氟癸酯和丙烯酸聚乙二醇酯侧链的掺混物，而不是均匀的丙烯酸全氟癸酯或丙烯酸聚乙二醇酯。在这些情况下，水接触角大于100°。
实施例2.共价修饰的聚合物表面对生物污着的抗性
将实施例1的共价修饰的聚合物表面各自与1mg/mL的明胶水性溶液接触1小时。暴露后，用水洗涤表面，然后吹干。然后每次测量使用2.5μL水测量每个表面的水接触角(设三个重复)，结果如错误！未找到参考源。所示。从图中可以再次看出，用具有侧链的共聚物光接枝的聚合物表面表现出更高的疏水性，其侧链是丙烯酸全氟癸酯和丙烯酸聚乙二醇酯侧链的掺混物，而不是均匀的丙烯酸全氟癸酯或丙烯酸聚乙二醇酯。在每种情况下，表面暴露于蛋白质溶液导致表面疏水性降低。然而，对于具有均匀的丙烯酸全氟癸酯或丙烯酸聚乙二醇酯侧链的共聚物的表面，这种降低的程度是最大的。对于具有丙烯酸全氟癸酯和丙烯酸聚乙二醇酯侧链的掺混物的共聚物的表面，暴露于蛋白质溶液时的水接触角变化要小得多。错误！未找到参考源。提供了暴露于明胶溶液之前和之后水接触角的这些差异的图示。
还对如实施例1中共价修饰的聚合物表面的生物污着抗性进行了另外的试验，但用丙烯酸全氟庚酯作为氟化丙烯酸单体。这些试验的结果表明丙烯酸全氟庚酯提供的生物污着保护与丙烯酸全氟癸酯提供的生物污着保护在定性上相当。
在一些实施方式中，本文描述的装置和方法以自动化方式操作，其中步骤由机器或计算机执行而无需直接人为控制。在一些实施方式中，自动化方法具有主观的起点和终点，因此该术语并不暗示操作的所有步骤都是自动执行的。在一些实施方式中，计算装置被编程或以其他方式配置成自动化和/或调节本文提供的方法的一个或多个步骤。一些实施方式在非暂时性存储介质中提供机器可执行代码，当由计算装置执行时，其实现本文描述的任何方法。
虽然通过阐述和举例的方式详细描述了上述发明以清晰理解，但本发明技术人员应理解可在所附权利要求书范围内实施某些改变和修改。此外，本文提供的各参考文献通过引用全文纳入本文，就如同各参考文献单独通过引用纳入本文。当即时应用和本文提供的参考之间存在冲突时，即时应用占主导地位。

Claims (32)

1.一种包含接枝共聚物的共价修饰的聚合物表面，其中接枝共聚物包含主链聚合物，聚亚烷基二醇丙烯酸侧链，和氟化丙烯酸侧链；其中共价修饰的聚合物表面具有大于100°的水接触角；其中在暴露于1mg/mL的牛血清白蛋白水性溶液1小时后所述水接触角的变化小于10°；并且其中所述接枝共聚物中氟化丙烯酸侧链与聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的质量比在1:3至3:1的范围内。
2.如权利要求1所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述主链聚合物是环烯烃聚合物(COP)或环烯烃共聚物(COC)。
3.如权利要求1所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述主链聚合物是COP。
4.如权利要求1所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述主链聚合物是COC。
5.如权利要求1-4中任一项所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述氟化丙烯酸侧链包含丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。
6.如权利要求1-4中任一项所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述氟化丙烯酸侧链包含1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯。
7.如权利要求1-6中任一项所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述聚亚烷基二醇丙烯酸侧链包含丙烯酸聚乙二醇酯。
8.如权利要求1-7中任一项所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述聚亚烷基二醇丙烯酸侧链的数均分子量在150至1500的范围内。
9.如权利要求1所述的共价修饰的聚合物表面，其中所述主链聚合物是COC，其中所述聚亚烷基二醇丙烯酸侧链包含丙烯酸聚乙二醇酯，并且其中所述氟化丙烯酸侧链包含丙烯酸全氟化烷基酯。
10.一种包含具有内表面的微流体通道的装置，其中所述内表面包含如权利要求1-9中任一项所述的共价修饰的聚合物表面。
11.一种使具有液滴的乳液移动通过微流体通道的方法，所述方法包括：
提供如权利要求10所述的装置；
提供包含液滴和乳液流体的乳液；并且
提供足以使所述乳液移动通过所述装置的微流体通道的力。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述液滴是含有足以进行聚合酶链式反应的试剂和核酸的水性液滴。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述乳液流体包含氟化油或硅油。
14.一种产生共价修饰的聚合物表面的方法，所述方法包括：
使聚合物表面与包含丙烯酸聚亚烷基二醇酯，氟化丙烯酸单体，有机溶剂和光引发剂的混合物接触；并且
将所述聚合物表面和混合物暴露于紫外(UV)辐射，使得所述聚合物表面被共价修饰。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述聚合物表面包含环烯烃聚合物(COP)或环烯烃共聚物(COC)。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述聚合物表面包含COP。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述聚合物表面包含COC。
18.如权利要求14-17中任一项所述的方法，其中所述氟化丙烯酸单体是丙烯酸全氟化烷基酯或甲基丙烯酸全氟化烷基酯。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述氟化丙烯酸单体是1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯。
20.如权利要求14-19中任一项所述的方法，其中所述丙烯酸聚亚烷基二醇酯是丙烯酸聚(乙二醇)酯。
21.如权利要求14-20中任一项所述的方法，其中所述丙烯酸聚亚烷基二醇酯的数均分子量在150至1500的范围内。
22.如权利要求14-21中任一项所述的方法，其中所述混合物中丙烯酸聚亚烷基二醇酯与氟化丙烯酸单体的质量浓度比在1:3至3:1的范围内。
23.如权利要求14-22中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包括丙酮。
24.如权利要求14-23中任一项所述的方法，其中所述混合物还包含3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷。
25.如权利要求14-24中任一项所述的方法，其中所述光引发剂包括二苯甲酮。
26.如权利要求14-25中任一项所述的方法，其中所述混合物中光引发剂的浓度在125mg/mL至1.3g/mL的范围内。
27.如权利要求14-26中任一项所述的方法，其中所述UV辐射的波长在325nm至400nm的范围内。
28.如权利要求14-27中任一项所述的方法，其中所述UV辐射的剂量在0.8mW至8mW的范围内。
29.如权利要求14-28中任一项所述的方法，其中所述共价修饰的聚合物表面具有大于100°的水接触角。
30.如权利要求14-29中任一项所述的方法，其中所述共价修饰的聚合物表面在暴露于1mg/mL牛血清白蛋白水性溶液1小时后具有小于10°的水接触角变化。
31.如权利要求14-30中任一项所述的方法，其中所述聚合物表面是微流体通道的内表面。
32.如权利要求14所述的方法，其中所述聚合物表面包含COC，其中所述丙烯酸聚亚烷基二醇酯是丙烯酸聚乙二醇酯，并且其中所述氟化丙烯酸单体是丙烯酸全氟化烷基酯。
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