CN114434709B - 一种凹形微井和微通道的快速制作方法 - Google Patents

一种凹形微井和微通道的快速制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体为一种凹形微井和微通道的快速制作方法，包括如下步骤：A、图案设计：设计凹形微井、微通道图案；B、制造蒙版：根据图案设计切割蒙版；C、亲水处理：将所述蒙版覆盖在PDMS基底上，一同进行等离子体处理，使所述PDMS基底上形成与图案设计相匹配的亲水区域，处理完成后取下所述蒙版，得到部分亲水的PDMS；D、制造模具：在所述部分亲水的PDMS表面加入甘油‑水混合物，使所述甘油‑水混合物仅驻留在所述部分亲水的PDMS上的亲水区域，形成模具；E、OSTE倒模：将液态OSTE均匀倒在所述模具表面，紫外线灯照射固化脱模，获得表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片。本发明加工方法无需净化室，制作步骤简单、高效。

Description

一种凹形微井和微通道的快速制作方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，具体为一种凹形微井和微通道的快速制作方法。
背景技术
对比传统的二维模型模拟体内环境的方法，凹形微井与微流道模型更贴近实际的体内环境，模拟效果更佳，因此具有更突出的优势。目前在组织工程领域，研究人员对凹形微井与微流道的需求与日俱增。当前加工出凹形微井、微流道的方案要么需要洁净室，要么制作过程十分繁杂、耗时长，导致技术不能大规模进行推广。
发明内容
本发明的目的在于，解决目前传统二维方法难以模拟体内环境与现今三维方法制作工艺需要净化室且步骤繁杂导致难以大规模推广的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种凹形微井和微通道的快速制作方法，包括如下步骤：
A、图案设计：设计凹形微井、微通道图案；
B、制造蒙版：根据图案设计切割蒙版，可以采用CAD制图指导切绘机的切割方式；
C、亲水处理：将所述蒙版覆盖在PDMS基底上，一同进行等离子体处理，使所述PDMS基底上形成与图案设计相匹配的亲水区域，处理完成后取下所述蒙版，得到部分亲水的PDMS；
D、制造模具：在所述部分亲水的PDMS表面加入甘油-水混合物，使所述甘油-水混合物仅驻留在所述部分亲水的PDMS上的亲水区域，形成模具；
E、OSTE倒模：将液态OSTE均匀倒在所述模具表面，紫外线灯照射固化脱模，获得表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片。
本发明提出一种快速的、低成本的、无需洁净室的凹形微井、微流道制作方法。该方法首先在polydimethylsiloxane(PDMS)覆盖具有所需样式的PVC蒙版，然后通过等离子清洁腔对PDMS表面进行修饰，提高无PVC蒙版覆盖区域的亲水性。撕下PVC蒙版后，将PDMS基底浸入甘油-水混合物。取出后使得甘油-水混合物仅驻留在PDMS基底的亲水区域，进而制成具有由液体形成的特定表面结构的PDMS模具。将OSTE均匀倒在模具上，甘油-水混合物的粘度较大，OSTE覆盖在混合物上的时候不易挤走甘油-水混合物。并且该混合物易配置，使用方便。用紫外线灯照射固化后，可以获得具有凹形微井或微流道的OSTE薄片。比起传统凹形微井或微流道的制备过程，需要耗时6～8小时甚至更长的时间，运用本发明方法可以缩短到1～2小时以内，大大缩短了生产周期。
另一方面，传统方法一般使用固态模具，所得的微井或微通道的截面是矩形或者方形，而在组织工程的应用上，特别是血管模型方面，由于血管本身为圆管，截面是矩形或者方形的微井、微通道实际无法很好地模拟血管环境。而本发明突破性地采用了PDMS+甘油-水这种固液混合形式作为模具，加工所得的微井和微通道的截面是弧形的，能更真实地模拟血管环境，更适合于组织工程上的应用。
OSTE全称是off-stoichiometry thiol–enes，该聚合物基于可紫外固化的硫醇烯化学结构，利用了非化学计量比以控制其机械强度及表面化学基团。它具有良好的机械性能，并且可利用点击化学实现光照快速成型，具有大规模商业生产的潜力。对比传统硅基或者玻璃基材料，OSTE的变形性能更好，且加工更加简单，成本更低。综合OSTE的性能，它具有进行卷对卷(Roll to Roll)生产的潜力，可以解决片式技术生产费时费力，劳动强度大，生产率低，尺寸稳定性低等缺点。
优选的，所述PDMS基底包括如下组分与比例：SYLGARD 184silicon单体和固化剂以质量比10:1混合。
优选的，步骤C中PDMS基底的获取过程为：SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
优选的，所述液态OSTE中，OSTE基团的巯基数量比乙烯基数量多40％。
优选的，所述液态OSTE包括如下组分：硫醇基单体，乙烯基单体和固化剂。
硫醇基单体、乙烯基单体这些药剂只是充当提供巯基和乙烯基的作用，其比例是针对基团而言，而不是具体化学药剂。本发明选用OSTE(40％)，这个百分比直接体现了巯基的过量程度。相比起OSTE(30％及以下)，OSTE(40％)表面活性基团即材料表面巯基的量更多，活性也更高。而如果使用OSTE(50％及以上)，则弹塑性有所下降，这对制备成具有凹形微井、微通道OSTE薄片产品的应用是极为不利的。研究证明，当OSTE基团的巯基数量比乙烯基数量多40％，即巯基:乙烯基＝1.4:1时，在常温和UV作用下能够快速成型，获得的OSTE性能最优。
优选的，所述固化剂为光引发剂Igr 819。
优选的，所述蒙版为PVC膜，使用前将其用石蜡膜固定在塑料膜衬底上。
将PVC膜用石蜡膜固定在塑料膜衬底上可以辅助固定方便切割，切割完成后需要先除去才覆盖在PDMS基底上。实际使用中，PVC膜是两层，把其中一层后将另一层覆盖在PDMS基底上。
优选的，步骤C中，所述等离子体处理的具体操作为：将所述蒙版覆盖在所述PDMS基底上，一同放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，3～5分钟后取出。
等离子体处理过程中：等离子体中的活性粒子与PDMS材料表面反应生成亲水基团从而使材料表面具有亲水性。离子体处理时间以3～5min为宜，时间过短导致等离子体处理不完整，导致亲水效果较差。离子体处理后，PDMS表面被蒙版覆盖的区域未与等离子体中的活性粒子接触保持表面性质不变，没有被覆盖的区域(设计图案)变得亲水。
优选的，步骤D的具体操作为：将所述部分亲水的PDMS完全浸入所述甘油-水混合物中，10～30秒后取出，使所述甘油-水混合物仅驻留在所述部分亲水的PDMS上的亲水区域，使用移液枪补充调整所述甘油-水混合物在所述部分亲水的PDMS表面上所形成的液态图案，形成所述模具。
优选的，通过调整所述甘油-水混合物在所述部分亲水的PDMS表面上的体积以改变凹形微井、微流道的深度、宽度。
优选的，步骤E的具体操作为：将液态OSTE均匀倒在所述模具表面，使用紫外线灯照射固化2～3分钟，之后剥离脱去所述模具，获得表面具有凹形微井、微流道的所述OSTE薄片。
制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，配制完成后使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。模具完成后，将液态OSTE均匀倒在模具表面，利用紫外照射进行固化，即可获得表面具有凹形微井、微流道的所述OSTE薄片。
优选的，步骤A中，使用Adobe Illustrator软件进行图案设计，设计表面微井微流道样式。
一种如上所述凹形微井和微通道的快速制作方法获得的表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片。
表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片，以用于培养癌细胞小球、类器官及建立胚胎模型和血管模型，在器官芯片领域有广泛的应用前景。
与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明的加工方法无需净化室。
2.本发明的加工方法制作步骤简单，效率高。比起传统凹形微井或微流道的制备过程，需要耗时6～8小时甚至更长的时间，运用本发明方法可以缩短到1～2小时以内，大大缩短了生产周期。
3.本发明通过加工方法通过CAD制图指导切绘机的切割方式，使得凹形微井、微流道尺寸可控。
4.使用甘油-水混合物停留在带图案的PDMS上亲水区的形式形成模具，甘油-水混合物的粘度较大，OSTE覆盖在混合物上的时候不易挤走甘油-水混合物。并且该混合物易配置，使用方便。
5.本发明所用材料之间具有良好的相互剥离性，比起传统侵蚀法除模具，本发明更方便快捷、环保实用，具有良好的推广前景。
6.本发明获得的表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片，截面是弧形的，更适合于组织工程上的应用，如培养癌细胞小球、类器官及建立胚胎模型、血管模型等，在器官芯片领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明中一种凹形微井的加工流程图；
图2是本发明实施例1加工过程中图案设计为凹形微流道的演示图，其中：a为PVC膜切割的图案，b为PDMS上的甘油-水混合物，c为PDMS上被OSTE覆盖的甘油-水混合物，d为在SEM下OSTE上的凹形微流道的图片；
图3是本发明实施例2加工过程中图案设计为凹形微井的演示图，其中：a为PVC膜切割的图案，b为PDMS上的甘油-水混合物，c为PDMS上被OSTE覆盖的甘油-水混合物，d和e为在SEM下OSTE上的凹形微井的图片；
图4是本发明加工过程中十字流道的演示图，其中：a为PVC膜切割的图案，b为PDMS上的甘油-水混合物，c为PDMS上被OSTE覆盖的甘油-水混合物，d为在SEM下OSTE上的十字凹形微流道的图片；
图5是本发明加工过程中分裂微流道的演示图，其中：a为PVC膜切割的图案，b为PDMS上的甘油-水混合物，c为PDMS上被OSTE覆盖的甘油-水混合物，d为在SEM下OSTE上的分裂凹形微流道的图片；
图6是本发明加工过程中弯曲凹形微流道的演示图，其中：a为PVC膜切割的图案，b为PDMS上被OSTE覆盖的甘油-水混合物，c为用相机所拍得的覆盖的甘油-水混合物上的OSTE上弯曲凹形微流道的图片，d为在SEM下OSTE上的弯曲凹形微流道的图片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种快速凹形微井、微通道的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.制作PDMS基底：首先制作PDMS基底，SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
2.制作OSTE溶液：制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，制作完成的OSTE聚合物使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。
3.图案设计：使用Adobe Illustrator软件设计所述表面微井微流道样式，本次图案设计为凹形微流道。
4.准备PVC膜：将PVC膜用石蜡膜固定在塑料膜衬底上以方便后续操作。
5.切割PVC：使用Cutting Plotter切绘机，根据所设计的图形对PVC膜进行切割处理。将切割完成的PVC膜取出。
6.制作PDMS模具将PVC膜粘贴在PDMS基底上，如图2(a)所示。将PDMS与PVC膜放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，3分钟后取出。将PVC蒙版从PDMS上取下。此时，将PDMS完全浸入甘油-水混合物中。10秒以后将其取出，使得仅有甘油-水混合物在PDMS基底的亲水区域驻留。至此基本制成PDMS模具，如图2(b)所示。根据需要，在所形成的液态图案上使用移液枪补充甘油-水混合物。此操作可以通过调节驻留在PDMS基底表面甘油-水混合物的外形，进而微调倒模出的OSTE上微结构的尺寸。
7.OSTE倒模：将OSTE溶液均匀倒在PDMS模具上，如图2(c)所示，用紫外线灯进行固化，将其脱模得到表面具有凹形微流道的OSTE薄片，在SEM下OSTE上的凹形微流道的图片如图2(d)所示。
实施例2
一种快速凹形微井、微通道的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.制作PDMS基底：首先制作PDMS基底，SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
2.制作OSTE溶液：制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，制作完成的OSTE聚合物使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。
3.图案设计：使用Adobe Illustrator软件设计所述表面微井微流道样式，本次图案设计为凹形微井。
4.准备PVC膜：将PVC膜用石蜡膜固定在塑料膜衬底上以方便后续操作。
5.切割PVC：使用Cutting Plotter切绘机，根据所设计的图形对PVC膜进行切割处理。将切割完成的PVC膜取出。
6.制作PDMS模具将PVC膜粘贴在PDMS基底上，如图3(a)所示。将PDMS与PVC膜放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，5分钟后取出。将PVC蒙版从PDMS上取下。此时，将PDMS完全浸入甘油-水混合物中。10秒以后将其取出，使得仅有甘油-水混合物在PDMS基底的亲水区域驻留。至此基本制成PDMS模具，如图3(b)所示。根据需要，在所形成的液态图案上使用移液枪补充甘油-水混合物。此操作可以通过调节驻留在PDMS基底表面甘油-水混合物的外形，进而微调倒模出的OSTE上微结构的尺寸。
7.OSTE倒模：将OSTE溶液均匀倒在PDMS模具上，如图3(c)所示，用紫外线灯进行固化，将其脱模得到表面具有凹形微井的OSTE薄片，在SEM下OSTE上的凹形微井的图片如图3(d)和(e)所示。
实施例3
一种快速凹形微井、微通道的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.制作PDMS基底：首先制作PDMS基底，SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
2.制作OSTE溶液：制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，制作完成的OSTE聚合物使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。
3.图案设计：使用Adobe Illustrator软件设计所述表面微井微流道样式，本次图案设计为十字流道。
4.准备PVC膜：将PVC膜与用石蜡膜固定在塑料膜衬底上以方便后续操作。
5.切割PVC：使用Cutting Plotter切绘机，根据所设计的图形对PVC膜进行切割处理。将切割完成的PVC膜取出。
6.制作PDMS模具将PVC膜粘贴在PDMS基底上，如图4(a)所示。将PDMS与PVC膜放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，4分钟后取出。将PVC蒙版从PDMS上取下。此时，将PDMS完全浸入甘油-水混合物中。10秒以后将其取出，使得仅有甘油-水混合物在PDMS基底的亲水区域驻留。至此基本制成PDMS模具，如图4(b)所示。根据需要，在所形成的液态图案上使用移液枪补充甘油-水混合物。此操作可以通过调节驻留在PDMS基底表面甘油-水混合物的外形，进而微调倒模出的OSTE上微结构的尺寸。
7.OSTE倒模：将OSTE溶液均匀倒在PDMS模具上，如图4(c)所示，用紫外线灯进行固化，将其脱模得到表面具有十字流道的OSTE薄片，在SEM下OSTE上的十字流道的图片如图4(d)所示。
实施例4
一种快速凹形微井、微通道的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.制作PDMS基底：首先制作PDMS基底，SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
2.制作OSTE溶液：制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，制作完成的OSTE聚合物使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。
3.图案设计：使用Adobe Illustrator软件设计所述表面微井微流道样式，本次图案设计为分裂微流道。
4.准备PVC膜：将PVC膜用石蜡膜固定在塑料膜衬底上以方便后续操作。
5.切割PVC：使用Cutting Plotter切绘机，根据所设计的图形对PVC膜进行切割处理。将切割完成的PVC膜取出。
6.制作PDMS模具将PVC膜粘贴在PDMS基底上，如图5(a)所示。将PDMS与PVC膜放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，3分钟后取出。将PVC蒙版从PDMS上取下。此时，将PDMS完全浸入甘油-水混合物中。10秒以后将其取出，使得仅有甘油-水混合物在PDMS基底的亲水区域驻留。至此基本制成PDMS模具，如图5(b)所示。根据需要，在所形成的液态图案上使用移液枪补充甘油-水混合物。此操作可以通过调节驻留在PDMS基底表面甘油-水混合物的外形，进而微调倒模出的OSTE上微结构的尺寸。
7.OSTE倒模：将OSTE溶液均匀倒在PDMS模具上，如图5(c)所示，用紫外线灯进行固化，将其脱模得到表面具有分裂微流道的OSTE薄片，在SEM下OSTE上的分裂微流道的图片如图5(d)所示。
实施例5
一种快速凹形微井、微通道的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
1.制作PDMS基底：首先制作PDMS基底，SYLGARD 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，混合后的液体倒入一个底面平滑的容器中，使用真空泵消除其中的气泡，用烤箱在70℃下烘烤固化后将其从容器中脱离，将制作完成的PDMS基底取出备用。
2.制作OSTE溶液：制作OSTE(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂Igr 819三种试剂配制，制作完成的OSTE聚合物使用棕色瓶保存放置于阴凉处备用。
3.图案设计：使用Adobe Illustrator软件设计所述表面微井微流道样式，本次图案设计为弯曲凹形微流道。
4.准备PVC膜：将PVC膜用石蜡膜固定在塑料膜衬底上以方便后续操作。
5.切割PVC：使用Cutting Plotter切绘机，根据所设计的图形对PVC膜进行切割处理。将切割完成的PVC膜取出。
6.制作PDMS模具将PVC膜粘贴在PDMS基底上，如图6(a)所示。将PDMS与PVC膜放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，3分钟后取出。
将PVC蒙版从PDMS上取下。此时，将PDMS完全浸入甘油-水混合物中。
10秒以后将其取出，使得仅有甘油-水混合物在PDMS基底的亲水区域驻留。至此基本制成PDMS模具，如图6(b)所示。根据需要，在所形成的液态图案上使用移液枪补充甘油-水混合物。此操作可以通过调节驻留在PDMS基底表面甘油-水混合物的外形，进而微调倒模出的OSTE上微结构的尺寸。
7.OSTE倒模：将OSTE溶液均匀倒在PDMS模具上，如图6(c)所示，用紫外线灯进行固化，将其脱模得到表面具有弯曲凹形微流道的OSTE薄片，
在SEM下OSTE上的弯曲凹形微流道的图片如图6(d)所示。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、图案设计：设计凹形微井、微通道图案；
B、制造蒙版：根据图案设计切割蒙版；
C、亲水处理：将所述蒙版覆盖在PDMS基底上，一同进行等离子体处理，使所述PDMS基底上形成与图案设计相匹配的亲水区域，处理完成后取下所述蒙版，得到部分亲水的PDMS；
D、制造模具：在所述部分亲水的PDMS表面加入甘油-水混合物，使所述甘油-水混合物仅驻留在所述部分亲水的PDMS上的亲水区域，形成模具；步骤D的具体操作为：将所述部分亲水的PDMS完全浸入所述甘油-水混合物中，10～30秒后取出，使所述甘油-水混合物仅驻留在所述部分亲水的PDMS上的亲水区域，使用移液枪补充调整所述甘油-水混合物在所述部分亲水的PDMS表面上所形成的液态图案，形成所述模具；
E、OSTE倒模：将液态OSTE均匀倒在所述模具表面，紫外线灯照射固化脱模，获得表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片；所述液态OSTE中，OSTE基团的巯基数量比乙烯基数量多40％；所述液态OSTE由如下组分组成：硫醇基单体，乙烯基单体和固化剂。
2.如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，所述PDMS基底包括如下组分与比例：SYLGARD 184silicon单体和固化剂以质量比10:1混合。
3.如权利要求1或2所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，所述固化剂为光引发剂Igr 819。
4.如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，所述蒙版为PVC膜，使用前将其用石蜡膜固定在塑料膜衬底上。
5.如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，步骤C中，所述等离子体处理的具体操作为：将所述蒙版覆盖在所述PDMS基底上，一同放进等离子清洁腔进行等离子表面处理，3～5分钟后取出。
6.如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，通过调整所述甘油-水混合物在所述部分亲水的PDMS表面上的体积以改变凹形微井、微流道的深度、宽度。
7.如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法，其特征在于，步骤E的具体操作为：将液态OSTE均匀倒在所述模具表面，使用紫外线灯照射固化2～3分钟，之后剥离脱去所述模具，获得表面具有凹形微井、微通道的所述OSTE薄片。
8.一种如权利要求1所述凹形微井和微通道的快速制作方法获得的表面具有凹形微井、微通道的OSTE薄片。
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