微流控芯片加工中的PDMS軟刻蝕技術(shù)和聚合物成型介紹

微流控芯片大致可以分為三種類型：PDMS芯片、聚合物芯片（COC、PMMA、PC等）和玻璃芯片。三種不同類型的芯片各有不同的加工方法。本文主要介紹PDMS芯片加工的軟光刻/軟刻蝕技術(shù)（soft lithography technique）和聚合物成型技術(shù)。
什么是PDMS軟刻蝕技術(shù)？
軟刻蝕技術(shù)可以被看做光刻技術(shù)的一種擴(kuò)展延伸。最初，標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在微電子企業(yè)中主要被用來(lái)處理半導(dǎo)體材料。光刻技術(shù)從本質(zhì)上講非常適合用來(lái)處理光刻膠。因此，大部分微流控器件仍舊使用光刻技術(shù)來(lái)加工SU-8模板，集成微結(jié)構(gòu)的PDMS層的加工過(guò)程如圖1所示。

圖1 集成微結(jié)構(gòu)的PDMS層的加工過(guò)程。圖中（a）-（d）對(duì)應(yīng)通過(guò)光刻技術(shù)加工硬質(zhì)模板的過(guò)程。圖中（e）-（f）可以被認(rèn)為是軟刻蝕過(guò)程的一部分。

軟刻蝕技術(shù)擴(kuò)展了傳統(tǒng)光刻技術(shù)的可能性。不同于光刻技術(shù)，軟刻蝕技術(shù)可用于加工處理廣泛的彈性材料例如機(jī)械軟材料。由于涉及的材料具有一定的“柔軟性”，這就是為什么這種刻蝕技術(shù)使用“soft”這個(gè)單詞。軟刻蝕技術(shù)非常適合用于聚合物、凝膠以及有機(jī)單層材料。PDMS材料具有許多非常優(yōu)異的特性如廉價(jià)、生物兼容性、低毒性、化學(xué)惰性、多種多樣的表面化學(xué)絕緣性以及機(jī)械靈活性和耐久性等，因此，其在軟刻蝕應(yīng)用中被廣泛的大量使用。此外，PDMS很容易被操控和加工，所以，僅需要很少的儀器設(shè)備便可加工PDMS器件。
應(yīng)該注意的是屬于軟刻蝕技術(shù)并不是指一個(gè)獨(dú)特的加工技術(shù)。軟刻蝕技術(shù)實(shí)際上包含了許多的加工方法，這種加工方法全部是基于使用類似于圖1f的PDMS模板層。為了方便提供一個(gè)簡(jiǎn)要的概述，如下部分將會(huì)介紹和軟刻蝕技術(shù)相關(guān)的核心技術(shù)。
微流控芯片中的PDMS軟刻蝕技術(shù)
軟刻蝕技術(shù)的第一個(gè)基本特性是獲得密封的微流控器件。典型的情形是，壓印在PDMS層上微通道緊密的與玻璃片結(jié)合在一起，請(qǐng)見如下圖2。另外一種情況是另外一片沒有通道的PDMS片與帶有微通道的PDMS層緊密的結(jié)合在一起。PDMS鍵合可以使PDMS層和玻璃形成牢固的、永久的結(jié)合。這種牢固的結(jié)合可以通過(guò)plasma bonding來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)微通道經(jīng)過(guò)合適的密封后，流體或溶液可以在高達(dá)約350 kPa的壓力下被推進(jìn)到通道內(nèi)而不會(huì)損壞微通道。

圖2 微流控芯片的加工：集成微通道的PDMS層被密封在玻璃片上

PDMS軟刻蝕技術(shù)：復(fù)制壓模/成形（Replica Molding）
在復(fù)制成形過(guò)程中，PDMS圖案層被用作軟模具，圖案層隨后會(huì)被聚合物覆蓋。固化后，聚合物從PDMS模具中分離。和光刻技術(shù)中使用的硬模板類似，PDMS模具的起始圖案被壓印在聚合物的表面。然而，復(fù)制成形技術(shù)允許在多種材料上形成圖案，例如，生物相容性的聚合物材料瓊脂或瓊脂糖可以通過(guò)復(fù)制成形技術(shù)來(lái)形成所需要的圖案。此外，復(fù)制成形技術(shù)還可以一次性的復(fù)制3D結(jié)構(gòu)并且相同的PDMS模具可以重復(fù)使用許多次。

圖3 復(fù)制成形技術(shù)的過(guò)程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：毛細(xì)管成形
毛細(xì)管成形是使用帶有圖案的PDMS作為模具的第二種技術(shù)。PDMS層的圖案必須首先接觸基底如玻璃片，然后使用毛細(xì)管成形技術(shù)來(lái)把液態(tài)的聚合物填充到PDMS模具的圖案內(nèi)。正如毛細(xì)管成形技術(shù)暗示的那樣，利用毛細(xì)現(xiàn)象來(lái)逐步的填充圖案。作為替代方案，也可以使用抽吸的方法把液體聚合物填充到圖案內(nèi)。聚合物固化以后，可以輕輕的移除PDMS，隨后，基底的表面上就會(huì)留下堅(jiān)固的固體微結(jié)構(gòu)。

圖4 毛細(xì)管成形技術(shù)的過(guò)程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：微接觸印刷
在微接觸印刷技術(shù)中，PDMS層被用作一個(gè)印章。PDMS層首先被浸入在分子“墨水”中，然后再與基底相接處以便把“墨水”轉(zhuǎn)移到基底的表面。在微接觸印刷技術(shù)中，只有來(lái)自PDMS印章的凸起表面的“墨水”才會(huì)被轉(zhuǎn)移到基底上。各種“墨水”如小分子、蛋白質(zhì)或者細(xì)胞懸浮液等都可以用于微接觸印刷。

圖 5 微接觸印刷技術(shù)的過(guò)程

PDMS軟刻蝕技術(shù)：轉(zhuǎn)移微模塑
在轉(zhuǎn)移微模塑技術(shù)中，PDMS層的圖案化表面被液態(tài)聚合物填充。當(dāng)移除多余的聚合物以后，把PDMS層進(jìn)行倒置然后使其與基底接觸。然后進(jìn)行固化，待聚合物固化后，小心謹(jǐn)慎的剝離PDMS層，隨后就會(huì)在基底的表面上留下特征尺寸小到1μm的堅(jiān)固的固體微結(jié)構(gòu)。和復(fù)制成形技術(shù)類似，相同的PDMS層可以被填充許多次。

圖6 轉(zhuǎn)移微模塑技術(shù)的過(guò)程

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審核編輯 黃宇