聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新興的智能功能

來源：發(fā)布時間：2025-06-13

概述

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流體芯片制造的常用聚合物，因其透明、生物相容、氣體滲透、可變形、易粘合且便宜等特性成為理想材料，制造需經(jīng)混合脫氣、倒入模具、固化、打孔、等離子處理等步驟，但存在金屬沉積困難、老化、自熒光、分子吸附及水蒸氣滲透等挑戰(zhàn)。如今，智能 PDMS 發(fā)展出自清潔（如涂層或微納米結(jié)構(gòu)化）、自我修復(fù)（高模量或靜電紡絲）、自我報告（微膠囊嵌入或機械發(fā)光）等新興功能，進一步拓展了其應(yīng)用潛力。

一、PDMS 的基本概念與結(jié)構(gòu)

1. 定義：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是硅氧烷家族的礦物有機聚合物，分子式為 (C?H?OSi) N，常用于微流體芯片制造，也作為食品添加劑（E900）、抗泡沫劑等。

2. 化學(xué)結(jié)構(gòu)：由硅氧鍵（Si-O）連接甲基側(cè)鏈，形成柔性聚合物鏈，交聯(lián)后成為疏水性彈性體，表面能低，易導(dǎo)致液滴珠狀分布。

二、PDMS 微流體器件制造 **步驟

1. 混合脫氣：PDMS 與固化劑混合后去除氣泡。

2. 倒模：將混合物倒入母模（軟光刻制備的負像模具）。

3. 固化：高溫加熱使 PDMS 硬化。

4. 打孔：在 PDMS 塊上加工流體進出口，孔徑略小于連接管。

5. 等離子鍵合：處理 PDMS 與玻璃表面，實現(xiàn)密封。

2. 模具優(yōu)勢：單個母?？芍貜?fù)使用，支持微流體芯片大規(guī)模生產(chǎn)。

三、PDMS 作為微流體材料的優(yōu)勢

四、PDMS 應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

1. 材料缺陷

1. 老化：機械性能隨時間改變。

2. 自熒光：影響熒光檢測實驗。

3. 分子行為：吸附疏水分子，釋放物質(zhì)干擾實驗，水蒸氣滲透導(dǎo)致蒸發(fā)難控。

2. 工藝限制：金屬和電介質(zhì)難以直接沉積，需通過旋涂未固化 PDMS 層克服。

五、PDMS 的化學(xué)抗性數(shù)據(jù)（Sylgard 184）

六、PDMS 主要類型對比

· RTV-615：強度高，適合雙層器件及微閥，但批次間粘合強度差異大，雜質(zhì)較多。

· Sylgard 184：純度高，常用于哺乳動物細胞培養(yǎng)，多層鍵合可靠性低。

七、智能 PDMS 的新興功能

1. 自清潔功能

· 表面涂層：接枝 pH 敏感聚合物（GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下大腸桿菌附著量降低 98%。

· 微納米結(jié)構(gòu)化：超疏水 MNDS 膜，通過 DRIE 技術(shù)制備，無需表面活性劑。

2. 自我修復(fù)功能

· 高模量改性：引入?；被澹ˋSC）基團，保持透明性，提升剛度。

· 靜電紡絲：201.2μm 厚薄膜，95 小時室溫愈合 60%。

3. 自我報告功能

· 微膠囊嵌入：釋放電荷轉(zhuǎn)移前體，損傷時顏色轉(zhuǎn)換，可復(fù)合自我修復(fù)劑。

· 機械熒光：MPS 官能化 PDMS，應(yīng)力與熒光強度呈線性關(guān)系。

· 機械發(fā)光：摻入二氟龍染料，增強 MCL 強度，診斷熱 / 機械損傷。

關(guān)鍵問題

1. 為什么 PDMS 適合用于微流體芯片制造？

答案：PDMS 因具備透明性（240nm-1100nm 波長透光）、生物相容性、氣體滲透性（可平衡壓力）、可變形性（集成微閥）、易粘合性（等離子處理后與玻璃 / PDMS 鍵合）及低成本等優(yōu)勢，成為微流體芯片制造的理想材料。其室溫下可模具數(shù)小時，結(jié)構(gòu)分辨率達納米級，且單個模具可重復(fù)生產(chǎn)，支持大規(guī)模制造。

2. PDMS 在微流體應(yīng)用中面臨哪些主要挑戰(zhàn)？

答案：PDMS 的主要挑戰(zhàn)包括：金屬 / 電介質(zhì)沉積困難（需通過旋涂未固化層間接實現(xiàn)）；材料老化導(dǎo)致機械性能改變；自熒光特性干擾檢測；疏水分子吸附和物質(zhì)釋放影響實驗準(zhǔn)確性；水蒸氣滲透性使蒸發(fā)難以控制；對甲苯（增重 45.51%）、硫酸（增重 - 14%）等化學(xué)物質(zhì)敏感。

3. 智能 PDMS 有哪些創(chuàng)新功能，如何實現(xiàn)？

答案：智能 PDMS 具備三大功能：

· 自清潔：通過表面接枝 pH 敏感聚合物（如 GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下抑菌率達 98%；或制備微納米結(jié)構(gòu)化超疏水膜（MNDS），通過 DRIE 技術(shù)增強表面鈍化。

· 自我修復(fù)：引入高模量 ASC 基團提升材料剛度，或通過靜電紡絲制備厚膜（201.2μm），95 小時室溫愈合 60%。

· 自我報告：嵌入微膠囊釋放電荷轉(zhuǎn)移前體（CTC），損傷時顯色；或通過機械熒光基團（MPS）、機械發(fā)光染料（二氟龍 β- 二酮酸酯）實現(xiàn)應(yīng)力 - 熒光 / 發(fā)光信號轉(zhuǎn)化，可視化損傷程度。