一種通過軟光刻技術(shù)制造剛性微流控器件的詳細方案

軟光刻技術(shù)可通過在可變形彈性體（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS））上使用光刻圖形化模具，實現(xiàn)具有精確特征的微流控器件快速成型（rapid prototyping）。在微流控應用中，PDMS的柔軟性是一個劣勢，目前已有多種更剛性的材料出現(xiàn)。與其它可替代的材料相比，由環(huán)氧樹脂和玻璃制成的微流控器件具有優(yōu)異的機械性能、特征分辨率和溶劑兼容性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，美國波士頓馬薩諸塞州總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital）的研究人員提出了一種通過軟光刻圖案化環(huán)氧樹脂和玻璃，制造剛性微流控器件的詳細分步方案。同時，他們對該鍵合方案進行了優(yōu)化，使剛性微流控器件能夠承受超500磅/平方英尺（psi）的壓力。研究人員通過該方法演示了使用剛性高縱橫比螺旋微通道進行高通量細胞聚焦。

該方案主要包括三個步驟：（1）PDMS模具制備；（2）環(huán)氧樹脂澆注；（3）模具脫模、后處理和鍵合（見圖1和圖2）。在完成步驟（1）之后，模具可安全存放一邊，其余的步驟可隨時進行。接下來澆注環(huán)氧樹脂（即步驟（2）），并在20~24小時后的第二天進行脫模（即步驟（3）），脫模后立即進行鍵合。在此過程中，假設研究人員熟悉使用剛性硅片模具的常規(guī)PDMS軟光刻技術(shù)。開始操作之前，需要一個具有所需圖案化特征的主模具，例如硅片上的圖案化SU-8（一種負性厚光刻膠）薄膜。最終的剛性微流控器件中的流道應是主模具上的凸起，就像傳統(tǒng)PDMS微流控器件一樣。

圖1 基于環(huán)氧樹脂的微流控器件制備工藝

圖2 基于環(huán)氧樹脂的微流控器件制備工藝的示例照片

環(huán)氧樹脂制造的優(yōu)化

研究人員優(yōu)化了幾個工藝變量，目的是能夠可靠地制造耐高壓的微流控器件，主要優(yōu)化了脫模前的固化時間、等離子處理時間和鍵合后熱板的靜置時間。為了測試微流控器件的鍵合強度，他們制造了僅有單個端口（即無出口）的器件，并將其連接到帶有集成壓力傳感器、型號為100DX的高壓注射泵上。在數(shù)分鐘內(nèi)，用去離子（DI）水對微流控器件逐步加壓，直至新增壓力失效，記錄失效前的峰值壓力。

圖3 鍵合強度的優(yōu)化

首先，研究人員假設，如果環(huán)氧樹脂具有更多可用的反應性基團，則經(jīng)過短于24小時的固化時間可以提高鍵合強度。但固化時間短于20小時時，環(huán)氧樹脂太軟太粘，無法從模具中移除。另一方面，研究人員觀察到，固化時間超過30小時，環(huán)氧樹脂幾乎完全硬化，不能鍵合到載玻片上。在這段時間內(nèi)，他們觀察到在較短固化時間下，鍵合壓力趨于增高，測試的最短固化時間為20小時時，最大的鍵合壓力為670 psi（圖3a）。

最后，研究人員使用基于優(yōu)化了結(jié)果的工藝制作了兩個微流控芯片，預計該工藝能夠最大限度地提高鍵合強度（20小時固化時間，30秒等離子體處理及3分鐘熱板靜置時間）。這致使基于上述兩個芯片的器件能夠承受714.5 psi的平均壓力，比優(yōu)化期間的先驗最佳狀態(tài)高出約12%。

在剛性高縱橫比螺旋微通道中進行慣性彈性細胞聚焦

研究人員使用優(yōu)化后的制備工藝制作了具有更高縱橫比的螺旋微通道，并測試了其用于高通量慣性彈性細胞聚焦的性能。對于涉及大樣本量的慣性聚焦生物醫(yī)學應用，細胞上的最大剪應力必須保持在一定范圍內(nèi)以避免損傷。他們假設一個非常高的縱橫比微通道（即10:1或更高）會有數(shù)個優(yōu)點。然而，如果高縱橫比通道由可變形材料制成，它們也更容易在壓力下膨脹。

與PDMS微流控器件相比，環(huán)氧樹脂微流控器件能夠抵抗變形并承受更高的壓力。在開發(fā)該工藝時，研究人員基于先前的經(jīng)驗，將環(huán)氧樹脂確定為高性能材料，目的是使全球各地已使用PDMS和軟光刻的微流控相關實驗室能夠更容易使用該工藝。

研究人員利用剛性環(huán)氧樹脂微流控器件研究了高縱橫比微通道中的細胞聚焦性能。與中等縱橫比的微通道（即4:1或更小）相比，高縱橫比的彎曲微通道具有在較高雷諾數(shù)下抑制Dean流二次渦流發(fā)生的優(yōu)勢，這使得細胞可以在較高流速下高效聚焦。根據(jù)其他研究人員的測量，該溶液（1.5 MDa，0.5 mg/ml透明質(zhì)酸的磷酸鹽緩沖溶液（PBS））的流體力學性能可大致估計為約5 mPa·s的零剪切粘度和約10 ms的弛豫時間。特征通道寬度為100 μm時，最高測試流速2.4 ml/min，對應的雷諾數(shù)約為8，魏森貝格數(shù)約為40。觀測到的聚焦特性與其它研究具有相似彈性數(shù)的流動結(jié)果一致。

該剛性微流控器件的制備工藝有幾個潛在的限制。其中一個潛在限制是，其對于柱或薄壁等高縱橫比特征來說不理想，因為當環(huán)氧樹脂部分仍然處于柔軟狀態(tài)時，模具就會被釋放。釋放和鍵合是具有更高縱橫比特征的微流控器件可能需要額外的優(yōu)化和實踐。然而，環(huán)氧樹脂為高通量微流控應用提供了優(yōu)異的機械性能和表面光潔度。這個詳細的制備工藝將允許更多的實驗室輕松地將剛性微流控器件集成到他們現(xiàn)有的基于PDMS的原型制作工藝流程中。

審核編輯：劉清