Tips:汶顥可提供所有材質(zhì)微流控芯片設(shè)計(jì)和加工。

硅和玻璃是首先用于微流體應(yīng)用的原始材料，但隨著時(shí)間的推移和新技術(shù)的進(jìn)步，聚合物基材，復(fù)合材料或紙張等新材料被用作微流體芯片的材料。為了研究目的，所使用的材料通常優(yōu)先考慮設(shè)備的多功能性和性能，而在商業(yè)化中，首先將產(chǎn)品成本，可靠性和易用性放在首位[1]。此外，所使用的每種材料自然對(duì)應(yīng)于特定的微制造戰(zhàn)略和設(shè)備的某些本身特性。因此，制造微流控芯片的材料在微流控技術(shù)中起著重要作用。

微流控芯片的材料可以分為三大類：無(wú)機(jī)，聚合物和紙張。

1.微流控芯片制造材料： 無(wú)機(jī)材料

硅微流控芯片

用于微流體的第一種材料是硅，盡管它很快被玻璃和聚合物取代。硅因其耐有機(jī)溶劑，易于金屬沉積，高導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的電滲遷移率而首次被選中。然而，這種材料由于其硬度并不易于處理，因此不易于制造活性微流體部件，例如閥門和泵。制造過(guò)程中使用的危險(xiǎn)化學(xué)品也需要保護(hù)設(shè)施。為這些問(wèn)題增加了高成本，所有這些缺點(diǎn)使得硅成為用于構(gòu)建微流體芯片的不吸引人的材料。

對(duì)紅外線透明，硅是一種不透明的材料，因此無(wú)法透視。因此，熒光檢測(cè)或流體成像將很難執(zhí)行，這個(gè)問(wèn)題很容易通過(guò)透明材料如聚合物或玻璃中來(lái)克服。硅表面化學(xué)基于硅烷醇基團(tuán)（-Si-OH），這是一種發(fā)展良好的化學(xué)方法，因此使用硅表面的化學(xué)修飾可能是減少非特異性吸附或改善細(xì)胞生長(zhǎng)的一種方法。它的彈性模量非常高（130-180GPa），使用硅的器件通過(guò)濕法/干法蝕刻或添加劑法（如金屬或化學(xué)氣相沉積）制造[?；谝旱蔚木酆厦告?zhǔn)椒磻?yīng) （PCR）或用于無(wú)標(biāo)記心臟生物標(biāo)志物檢測(cè)的納米線是硅微流控芯片的可能應(yīng)用。

玻璃微流控芯片

在最初關(guān)注硅之后，玻璃是選擇用于構(gòu)建微流控芯片的材料。用于氣相色譜和毛細(xì)管電泳（CE）微通道的玻璃或石英毛細(xì)管已經(jīng)在其整合到微流體領(lǐng)域之前使用。光學(xué)透明和電絕緣，玻璃是一種無(wú)定形材料。這種材料通常采用標(biāo)準(zhǔn)光刻法或濕法/干法蝕刻法進(jìn)行處理。除非采用特殊的蝕刻技術(shù)，否則蝕刻的玻璃通道具有圓形的側(cè)壁。

玻璃與生物樣品兼容，它也是不透氣的材料，具有相對(duì)較低的非特異性吸附。由于氣體可以通過(guò)通常呈現(xiàn)封閉通道和腔室的玻璃碎片，所以該材料不能用于長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)。玻璃芯片的一個(gè)主要應(yīng)用是毛細(xì)管電泳（CE）。這種便宜的方法比標(biāo)準(zhǔn)的CE更方便，因?yàn)樗菀自O(shè)置并行分析，并且它還可以通過(guò)直接利用電滲流來(lái)提供無(wú)閥注射，這可以在幾秒內(nèi)分離出分析物。

其他典型應(yīng)用包括芯片反應(yīng)液滴形成，溶劑提取和原位制造。最后，由于其高導(dǎo)熱性和表面上的穩(wěn)定的電滲遷移率，玻璃制成的微通道提供比其他材料更好的性能。就像硅一樣，玻璃改性化學(xué)是以硅烷醇為基礎(chǔ)的。同樣，由于其硬度和制造成本高，微流體玻璃應(yīng)用受到很多限制（保護(hù)設(shè)施，粘接的超潔凈環(huán)境，制造過(guò)程中所需的高溫和高壓等）。這些限制是開發(fā)替代性低成本芯片材料的原因，其可以容易地制造并且適用于更廣泛的生物應(yīng)用。

陶瓷微流控芯片

LTCC技術(shù)在小批量，高性能（軍用，空間）和大批量，低成本（便攜式無(wú)線，汽車）應(yīng)用方面都已經(jīng)很成熟。LTCC具有良好的電氣和機(jī)械性能，可靠性高。采用LTCC技術(shù)制造的精密微機(jī)電系統(tǒng)和微型光電機(jī)電系統(tǒng)集成了電子測(cè)量，控制和信號(hào)調(diào)理電路。此外，電氣，光學(xué)，氣體和流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在一個(gè)封裝中實(shí)現(xiàn)。

由陶瓷制成的微流體裝置通常使用低溫共燒陶瓷（LTCC）。這種陶瓷是一種基于氧化鋁的材料，可以進(jìn)行圖案化，組裝，然后在高溫下加熱。已經(jīng)證明LTCC裝置呈現(xiàn)低非特異性吸附。

LTCC結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低得多，開發(fā)時(shí)間也短。LTCC技術(shù)還允許將加熱器，傳感器和電子設(shè)備（控制和測(cè)量電子設(shè)備以及光檢測(cè)系統(tǒng)）集成到一個(gè)模塊中，這是該技術(shù)相對(duì)硅，玻璃和聚合物技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗?jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)。厚膜材料不僅可以制造封裝中的導(dǎo)電路徑網(wǎng)絡(luò)，還可以制造其他電子元件，傳感器和微系統(tǒng)。

由LTCC制造的微流體裝置（來(lái)自Nge等，2013）

（a）多層堆疊以創(chuàng)建絲網(wǎng)印刷的金/ LTCC微通道器件。

（b）帶有邊緣連接器的微通道設(shè)備的照片。

（c）設(shè)備的俯視圖。

（d）顯示四個(gè)金電極的微通道的橫截面圖。圖d中芯片的寬度不是按比例繪制的。

2.微流控芯片制造材料：聚合物

幾年后，基于聚合物的芯片在硅/玻璃芯片之后引入。各種各樣的聚合物在選擇具有特定性能的合適材料方面具有很大的靈活性。與無(wú)機(jī)材料相比，聚合物易于使用且價(jià)格便宜，因此它們是目前最常用的微芯片材料。根據(jù)它們的物理性質(zhì)，聚合物可分為彈性體，熱塑性塑料和熱固性塑料，前兩組更多地用作微流控芯片的材料。

彈性體由通常纏結(jié)的交聯(lián)聚合物鏈組成; 當(dāng)外力施加時(shí)，它們可以伸展或壓縮，并且在外力撤回時(shí)恢復(fù)到原始形狀。它們表現(xiàn)出較弱的分子間作用力，大部分時(shí)間它們與其他材料相比具有較低的楊氏模量和較高的失效應(yīng)變。

PDMS微流控芯片

PDMS已被廣泛用于微流體快速成型，因?yàn)樗苋菀字圃?，它與玻璃和PDMS基材牢固結(jié)合，具有良好的光學(xué)透明性和彈性體性能。

由于其合理的成本，快速的制造和易于實(shí)施，PDMS是研究實(shí)驗(yàn)室中使用的最常見(jiàn)的微流體材料。微流控模具通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械加工或光刻方法形成，PDMS微結(jié)構(gòu)在這些模具上鑄造和固化。復(fù)雜的微流體設(shè)計(jì)也可以通過(guò)堆疊多個(gè)層來(lái)創(chuàng)建。

PDMS具有低彈性模量（300-500 kPa），使其適用于閥門和泵的制造。其氣體滲透性對(duì)于細(xì)胞研究中的氧氣和二氧化碳轉(zhuǎn)運(yùn)是有利的，但是氣體通過(guò)PDMS通過(guò)氣泡形成可能是有問(wèn)題的。由于其內(nèi)在疏水性原因，PDMS易受非疏水性分子的非特異性吸附和滲透。PDMS的化學(xué)修飾可以解決這些問(wèn)題，實(shí)際上等離子體暴露  會(huì)使暴露的PDMS表面親水化。然而，經(jīng)過(guò)這種處理后，新形成的親水表面不穩(wěn)定，可在之后的某個(gè)時(shí)候很快回復(fù)到原來(lái)的疏水形式。

當(dāng)與非極性溶劑接觸時(shí)吸收和溶解疏水性分子引起其膨脹的傾向也是PDMS疏水表面的后果之一。此外，生物大分子如蛋白質(zhì)在通道壁上的吸附也是由PDMS制造的微流體裝置的常見(jiàn)問(wèn)題。

熱固性聚酯（TPE）   微流控芯片

TPE微通道的SEM圖像

不可溶并且對(duì)蠕變具有高度抗性，熱固性樹脂是在交聯(lián)時(shí)鏈不可逆地結(jié)合在一起的聚合物[43]。他們可以輕松快捷地制造光學(xué)透明且價(jià)格便宜的聚合物。它們不會(huì)熔化，不會(huì)與某些溶劑一起膨脹，并且它們不透氣，這使得它們不適用于長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)。

它們的高機(jī)械強(qiáng)度和物理強(qiáng)度是由于高度交聯(lián)的聚合物結(jié)構(gòu)，并且在加熱時(shí)硬化。熱固性材料的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是使用光聚合作用的3D微制造。由于其高剛性，熱固性材料不適合制造閥門，而且由于其高成本，它們?cè)谖⒘黧w中的應(yīng)用受到限制。

熱固性聚酯（TPE）是微流體中最常用的熱固性材料之一。它是可見(jiàn)光下的透明材料，比PDMS具有更高的彈性模量（1-100 MPa），但比典型的熱固性塑料（> 1 GPa）低。TPE是由聚酯和苯乙烯通過(guò)UV或熱聚合形成的熱引發(fā)材料。這種疏水性材料需要通過(guò)緩沖添加劑或化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行表面改性，以使水容易流過(guò)微流體通道。盡管氯化溶劑對(duì)許多其他溶劑具有抗性，但它可以溶解TPE。最后，制造類似于由PDMS制成的TPE閥也是可能的。

熱塑性聚合物 

熱塑性塑料是通過(guò)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）多次重塑的材料。它們是高度交聯(lián)的聚合物，在冷卻后可以保持其形狀，它們也適用于微加工工藝。光學(xué)透明的聚合物，熱塑性塑料能夠抵抗小分子的滲透，并且比彈性體更硬。幾乎不透氣，其密封的微通道不適合長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)。另外，熱塑性閥門由于其剛性而難以制造。

熱塑性塑料通過(guò)熱成型來(lái)制造，該工藝需要金屬或硅中的模板以在高溫下使用。它允許以高速度和低成本生產(chǎn)數(shù)千個(gè)復(fù)制品，并且對(duì)于商業(yè)生產(chǎn)而言是優(yōu)異的，但對(duì)于原型使用而言并不經(jīng)濟(jì)。使用傳遞成型的快速原型制造使用PDMS作為復(fù)制中間體，并使微圖案從容易制備的光刻膠轉(zhuǎn)移到熱塑性塑料上。該技術(shù)僅限于Tg低于150°C的熱塑性塑料，因?yàn)镻DMS在較高溫度下成型期間釋放氣體。

與PDMS不同，熱塑性塑料不能與其他表面保形接觸。它們的表面可以根據(jù)它們的應(yīng)用通過(guò)動(dòng)態(tài)涂覆或表面接枝進(jìn)行改性。對(duì)于熱塑性塑料，共價(jià)改性表面通常比PDMS更穩(wěn)定。例如，可以很容易地將電極集成到柔性電路中，熱塑性塑料表面在用氧等離子體處理后可以保持長(zhǎng)達(dá)幾年的親水性。

聚苯乙烯（PS）  微流控芯片

聚苯乙烯（PS）是光學(xué)透明的，生物相容的，惰性的，剛性的，并且其表面可以容易地功能化。它的疏水性表面可以通過(guò)各種物理和化學(xué)手段，包括電暈放電，氣體等離子體和輻射而變得親水。然而，用這種聚合物實(shí)現(xiàn)復(fù)雜芯片所需的昂貴設(shè)備（注射成型，熱壓?。┑谋匾钥赡苁瞧涫褂玫恼系K。PS適用于批量生產(chǎn)過(guò)程，因此它可以促進(jìn)將當(dāng)前使用的制造過(guò)程轉(zhuǎn)換為微型系統(tǒng)。

一些PS微流控芯片（原型）利用了熱塑性PS片材的收縮性能。事實(shí)上，加熱后，蝕刻的微流體通道變得比工具更薄更深。這種技術(shù)比軟光刻技術(shù)更快，包括同步快速鍵合步驟，因此可以在幾分鐘內(nèi)完成復(fù)雜的PS多層微芯片。PS是細(xì)胞培養(yǎng)中最常用的材料，主要是由于其商業(yè)可用性和有趣的價(jià)格。這種聚合物已成為細(xì)胞培養(yǎng)研究的核心，并且由于其廣受歡迎，科學(xué)家們正在尋找除細(xì)胞生物測(cè)定之外的潛在用途。

由于其在該領(lǐng)域的普及，微流控芯片（器官芯片）上的細(xì)胞培養(yǎng)可能是潛在的應(yīng)用。有可能修改PS表面以使細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)，同時(shí)也防止氣泡形成，并且在這種程度上材料可以在結(jié)合之前用氧等離子體處理。然而，等離子體處理可以通過(guò)改變PS表面的化學(xué)組成來(lái)改變結(jié)合強(qiáng)度?；蛘?，用掩模層保護(hù)頂部表面也是一種選擇。另一種方法可能包括在細(xì)胞接種前用細(xì)胞外基質(zhì)蛋白預(yù)涂微通道，以促進(jìn)細(xì)胞粘附。PS微流控芯片的使用也存在其他限制，例如熱粘合步驟遇到的困難。

聚碳酸酯（PC）  微流控芯片

聚碳酸酯（PC）是由雙酚A和光氣聚合產(chǎn)生的耐用材料，導(dǎo)致重復(fù)的碳酸酯基團(tuán)。由于其在可見(jiàn)光下的透明度和非常高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（?145°C），PC適用于DNA熱循環(huán)應(yīng)用。PC的其他優(yōu)點(diǎn)是成本低，抗沖擊性強(qiáng)，吸濕性低，加工性能好。然而，PC對(duì)某些有機(jī)溶劑和紫外線吸收能力較差。

如前所述，PC是生物醫(yī)學(xué)研究和生物分析中一系列微流體應(yīng)用的首選材料，包括聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）。這種聚合物還提供了一個(gè)方便的替代方案，基于PDMS中用于制造多層器件的平版印刷和成型。

盡管一些科學(xué)家成功地制造了PC芯片，但他們使用了熱粘合方法，但不幸的是，即使溫度稍低，也不能提供良好的粘合。而且，當(dāng)溫度高到足以確保粘合時(shí)，熱粘合還顯著改變通道的幾何形狀。

PC微特征通過(guò)熱壓印制造，隨后使用熱粘合對(duì)兩層進(jìn)行退火?？梢詷?gòu)建蠕動(dòng)PC泵，這種材料還可以在裝置板上創(chuàng)建連續(xù)流動(dòng)PCR。由聚碳酸酯制成的微流體盒能夠進(jìn)行樣品裂解，酶擴(kuò)增，核酸分離，擴(kuò)增子標(biāo)記和病原體檢測(cè)。

完全由PC板制成的微流體電化學(xué)生物傳感器芯片可以制造用于微量流動(dòng)注射電流測(cè)定葡萄糖。為了為這種特定的應(yīng)用構(gòu)建PC芯片，微通道網(wǎng)絡(luò)被壓印在PC板上。然后使用光導(dǎo)向無(wú)電鍍技術(shù)在PC蓋片上制備微金膜電極基底。這種開發(fā)出的具有PC的微流動(dòng)注射生物傳感器系統(tǒng)可成功應(yīng)用于藥物注射中葡萄糖含量的測(cè)定。

聚碳酸酯微流體盒，其中袋填充染料更好的可視化，他們被設(shè)計(jì)來(lái)存儲(chǔ)各種試劑和緩沖區(qū)

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）  微流控芯片

PMMA是一種便宜的聚合物，它是普通塑料材料中疏水性最差的聚合物。PMMA是微流體系統(tǒng)中常用的材料，由于其價(jià)格低廉，機(jī)械性能剛性好，光學(xué)透明度極佳，并且與電泳兼容，因此它對(duì)于一次性微流控芯片特別有用。這種聚合物還具有其他特性，如易于制造和改性。

由于其能夠在高溫下分解成甲基丙烯酸甲酯（MMA），因此PMMA是制備“綠色芯片”的理想材料，可重復(fù)使用。大多數(shù)情況下，PMMA微流控芯片通常由通道板和覆蓋板（或覆蓋膜）組成，需要粘合以形成微流控芯片，其聚合物材料可通過(guò)基于MMA原位聚合的方法獲得模具。

PMMA中的微流體系統(tǒng)很容易通過(guò)CO2激光微加工產(chǎn)生，這是控制微結(jié)構(gòu)尺寸的合適方法。此外，還開發(fā)了多種高保真PMMA微型器件，包括熱壓印，溶劑壓印，熱粘合，注塑和激光燒蝕。PMMA已被用作大量微流體裝置的底物，包括混合分析芯片，DNA測(cè)序儀和電泳芯片。然而，迄今為止幾乎沒(méi)有報(bào)道PMMA閥門或泵。

鍵合技術(shù)在基于PMMA的微流控芯片的制造中是至關(guān)重要的，并且熱壓鍵合是最常用的方法。其他粘接技術(shù)可以用于PMMA，如微波粘接，熱熔粘接和粘接。為了防止通道在鍵合過(guò)程中發(fā)生崩塌，PMMA微流控芯片已經(jīng)通過(guò)使用特定的溶劑條件和犧牲材料（如石蠟）開發(fā)出來(lái)。

典型的纖維電泳微芯片的照片和玻璃纖維包裝的微通道的橫截面的SEM圖像。

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）  微流體芯片

聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）是一種與PDMS具有共同特性的材料，例如水穩(wěn)定性，光學(xué)透明度和低背景熒光。然而，與PDMS相比，它表現(xiàn)出更少的非特異性吸附，并且對(duì)小疏水分子的滲透具有更大的抗性。

這種聚合物可以被認(rèn)為是一種方便的材料，因?yàn)榫酆戏磻?yīng)可以在室溫下迅速發(fā)生并且不需要太多的能量?？紤]到生物惰性，這種聚合物具有良好的和可變的機(jī)械性能，這可以解釋它經(jīng)常用作組織工程支架。Poly-PEGA可用于構(gòu)建強(qiáng)大的微流體閥門和不同形狀的泵用于小體積測(cè)定。由聚-PEGA制成的微流體裝置通常使用與聚二甲基硅氧烷類似的制造工藝來(lái)制造。盡管poly-PEGDA彈性模量（?0.1GPa）對(duì)于自陷閥門來(lái)說(shuō)過(guò)高，但它在鎖閥設(shè)計(jì)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

由于其對(duì)非特異性吸附的抗性，聚-PEGA可以廣泛用于小體積分析和生物醫(yī)學(xué)研究，因?yàn)樗巧锵嗳菪跃酆衔?。此外，這種材料不是免疫原，也能抵抗蛋白質(zhì)吸附，但它不允許細(xì)胞粘附。

三層聚-PEGDA閥的示意圖

由TEFLONS 制成的微流控芯片  ：全氟化合物（PFEP / PFA / PFPE） 

所有具有優(yōu)異耐溶劑性的聚四氟乙烯芯片的制造和使用相當(dāng)新。特氟龍對(duì)化學(xué)品和溶劑極其惰性，它們還具有不粘性和防污性能。它們光學(xué)透明，足夠柔軟以制造隔膜閥，并適度透氣。雖然它們的熔化溫度很高（超過(guò)280°C），但可以通過(guò)高溫?zé)岢尚秃蜔嵴澈喜牧仙删哂屑{米分辨率的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，從而形成各種微流體器件。此外，由全氟化合物制成的微結(jié)構(gòu)特征保持其彈性體特性高達(dá)200°C 。

全氟化合物的惰性使它們對(duì)微流體有吸引力。事實(shí)上，材料表面不僅是疏油的，而且是疏水的。大多數(shù)氟彈性體是多氟聚醚，有時(shí)被描述為“液體特氟隆。兩種特殊的全氟化聚合物，全氟烷氧基（Teflon PFA）和氟化乙烯丙烯（Teflon FEP）被用于構(gòu)建微流體裝置和結(jié)構(gòu)。這些材料是可熱處理的，并且可以熱結(jié)合到其他材料上以產(chǎn)生復(fù)合材料，例如用于構(gòu)建閂閥裝置的玻璃-FEP，其甚至抵抗高腐蝕性溶液。但是，全氟化材料與玻璃和類似基材的結(jié)合往往非常脆弱。

PFA是一種稍微不透明的全氟化合物，其光學(xué)透明度仍然允許使用熒光和細(xì)胞成像。作為制造廉價(jià)，耐溶劑和可重復(fù)使用的微流控芯片的最有前景的材料之一（可以多次使用而不會(huì)受到污染風(fēng)險(xiǎn)的再循環(huán)），PFA需要高溫?zé)釅夯ǎ?260°C）來(lái)模制器件，因此使用高密度和高密度交聯(lián)的PDMS模具。由于其傳統(tǒng)熱塑性加工方法的可熔融加工性，光學(xué)透明性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，耐高溫性，有機(jī)溶劑，腐蝕和應(yīng)力開裂以及聚合物塊體的分子吸附和分子浸出，這是一種吸引人的材料到解決方案。

由于其眾多吸引人的特性，一些微流體裝置使用聚氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯（PFPE-DMA）。PFPE-DMA在固化之前在室溫下為粘稠液體，表現(xiàn)出低表面能和高耐久性和韌性[115]。此外，這種材料具有極強(qiáng)的耐化學(xué)性，具有高氣體滲透性和低毒性[116]。 多氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯可用于制造類似于PDMS中的閥門，并且在楊氏模量為3.9 MPa的有機(jī)溶劑存在下，其膨脹較小[117]。雖然這個(gè)數(shù)值比PDMS高10倍，但仍然有可能將這類材料用于閥門應(yīng)用[118]。FPE-DMA可以用小至50nm的分辨率進(jìn)行成型，并且UV固化的PFPE可以與PDMS牢固結(jié)合[119]。

可聚合的PFPE有可能將微流體裝置的使用大大擴(kuò)展到各種新的化學(xué)應(yīng)用中 [120]。憑借光固化能力的附加優(yōu)勢(shì)，微流控裝置的生產(chǎn)時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)減少到幾分鐘。類似于PDMS中的閥門可以用多氟聚醚二醇甲基丙烯酸酯制造[121]。此外，PFPE通道沒(méi)有溶脹跡象，因?yàn)槿芤阂子谕ㄟ^(guò)它們，與PDMS不同，PFPE與DNA合成反應(yīng)中涉及的所有溶劑相容。該器件設(shè)計(jì)中的通道特征間距很大，可以簡(jiǎn)化層對(duì)齊[122]。

所有這些Teflon微型器件在5天內(nèi)顯示出細(xì)胞相容性和良好的透氣性[123]。與PDMS和PS相比，它們也具有較低的非特異性蛋白質(zhì)吸附[124]。芯片的這種低成本和快速制造具有良好和便利的特性，可以極大地?cái)U(kuò)展和擴(kuò)大微流體的未來(lái)應(yīng)用。

聚氨酯（PU）  微流控芯片

聚氨酯（PU）彈性體的特點(diǎn)是具有高機(jī)械強(qiáng)度，彈性和良好的耐磨性[125]。聚氨酯已廣泛用于各種應(yīng)用，如人造心臟，主動(dòng)脈內(nèi)氣囊，起搏器導(dǎo)線，心臟瓣膜或血液透析膜[126]。這類材料呈現(xiàn)疏水表面，基本上是防水的[127]。通過(guò)使表面更親水可以改善聚氨酯的效用。已經(jīng)進(jìn)行了許多體內(nèi)和體外研究以評(píng)估PU的細(xì)胞和組織反應(yīng)，考慮其生物相容性以及其蛋白質(zhì)吸附至關(guān)重要[128]。為了限制非特異性吸附，可以用親水聚合物修飾表面[129]。

盡管存在各種表面改性方法，但是已經(jīng)在PU的開放表面或膜上而不是在微流體通道內(nèi)證實(shí)了這種改性[131]。微通道內(nèi)部的表面修飾提出了一系列不同的挑戰(zhàn)，例如由于修飾化學(xué)必須考慮的高表面體積比導(dǎo)致的試劑快速耗盡[132]。

傳統(tǒng)上，溶劑成型技術(shù)如垂直浸漬，旋轉(zhuǎn)芯軸和旋轉(zhuǎn)板用于制造PU部件，如片材，膜和管道。旋轉(zhuǎn)平板法用于制造PU薄膜和片材，而垂直浸漬和旋轉(zhuǎn)芯軸用于制造圓柱形部件，如管[133]。然而，這些制造技術(shù)不適合復(fù)制微流體裝置中存在的復(fù)雜和詳細(xì)的微觀特征[134]。

基于PU的微制造通常涉及注塑，壓印，等離子刻蝕，犧牲材料和反應(yīng)聚合，而這些方法不適合快速成型，因?yàn)樗鼈兪褂酶叱杀镜闹虚g模具和昂貴的制造設(shè)備[135]。此外，生產(chǎn)的基板是剛性的而不是透明的，這就是為什么溶劑澆鑄更合適的原因，因?yàn)橹虚g模具可以使用光刻法制造，制造設(shè)備成本低[136]。但是，生產(chǎn)的基材不透明，粘合性不好，很難與管材連接[137]。

紙基微流控芯片

紙是一種靈活的基于纖維素的材料，最近由于以下幾個(gè)原因而成為有前景的微流體基質(zhì)[138]：這種生物相容性材料是便宜的基質(zhì)，可以通過(guò)組合物/制劑變化或通過(guò)表面化學(xué)來(lái)容易地進(jìn)行化學(xué)修飾。在世界各地都很容易找到，紙張可以通過(guò)燃燒或自然降解來(lái)簡(jiǎn)單處理。然而，由于其機(jī)械性能和技術(shù)有限，紙張只能用于有限類型的應(yīng)用。紙可用于生化分析以及醫(yī)學(xué)和法醫(yī)診斷。紙微流體中分析物的檢測(cè)可以是比色法，電化學(xué)法，化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)發(fā)光法。但是，大多數(shù)紙張微流體分析裝置依賴于比色檢測(cè)。

可用于圖案化方法的方法很多，它們定義紙微流體通道的寬度和長(zhǎng)度，每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性。例如，噴墨和固體蠟印可以實(shí)現(xiàn)輕松的圖案定義和功能化。紙張多孔結(jié)構(gòu)還允許流動(dòng)，過(guò)濾和分離的組合。紙張?jiān)谏飳W(xué)上是兼容的，并且正常的白色背景為基于顏色的檢測(cè)方法提供了對(duì)比。

水凝膠

微流體已經(jīng)越來(lái)越多地涉及生物研究和生物模仿。類似于細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠已被廣泛用作各種應(yīng)用的細(xì)胞支持物。與更常用于研究組織水平細(xì)胞培養(yǎng)的PDMS裝置不同，水凝膠裝置的應(yīng)用大多與細(xì)胞相關(guān)[139]。可以在水凝膠中制造微通道，用于輸送溶液，細(xì)胞和其他物質(zhì)[140]。水凝膠是親水性聚合物鏈的3D網(wǎng)絡(luò)，位于水性介質(zhì)中，主要由水組成。它們是高度多孔的，可控制的孔徑，允許小分子或甚至生物顆粒擴(kuò)散[141]。

營(yíng)養(yǎng)和氧氣在凝膠中的擴(kuò)散不足以支持厚層細(xì)胞培養(yǎng); 細(xì)胞可能沿著梯度行為不同，大部分時(shí)間壞死開始發(fā)生在幾百微米的深度[142]。將微流體通道引入凝膠基質(zhì)可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)快速傳質(zhì)，提供與自然分叉血液系統(tǒng)類似的功能，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的大規(guī)模3D培養(yǎng)[143]。

由于大分子尺度上的低密度（和低強(qiáng)度），與其他聚合物（納米尺度）相比，水凝膠在微細(xì)加工中僅支持較低分辨率（微米級(jí)）[144]。另外，細(xì)胞封裝的水凝膠可能與某些微制造工藝不兼容[145]。為了創(chuàng)建微通道，采用兩種方法。一種是直接書寫方法，包括LDW和移動(dòng)噴嘴凝膠溶液的凝膠化，其可以產(chǎn)生低速的任意3D結(jié)構(gòu)。另一個(gè)涉及兩個(gè)步驟：通道的生成和通道密封[146]。

大多數(shù)水凝膠在溫和條件下在水溶液中凝膠化; 因此，它們可以由幾乎任何不溶于水的材料制成的主模制成[147]。與易于成型相比，這種結(jié)合具有挑戰(zhàn)性。通常，水凝膠通常不會(huì)與簡(jiǎn)單的接觸粘連。已報(bào)道的粘合策略包括在粘貼之前通過(guò)加熱或化學(xué)物質(zhì)熔化薄層粘合表面; 在界面處使用第二連接劑[148]。

3.微流控芯片制造材料： 復(fù)合材料

環(huán)烯烴共聚物（COC）  微流控芯片

無(wú)定形材料，環(huán)狀烯烴聚合物（COP）是一類基于環(huán)烯烴單體和乙烯的聚合物。有許多COP材料可以在市場(chǎng)上買到，但品牌名稱不同。由于聚合物由多于一種類型的單體制成，它們通常被稱為環(huán)烯烴共聚物（COC）。它們通過(guò)環(huán)狀單體與乙烯的鏈共聚合，或通過(guò)各種環(huán)狀單體的開環(huán)聚合，隨后氫化而合成。

環(huán)狀烯烴共聚物是一種新型聚合物，與目前已經(jīng)使用相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的常用熱塑性塑料如PC和PMMA相比，它具有令人感興趣的性能[149]。COC制造相對(duì)容易（成型性好），是一種低成本材料[150]。這就是為什么它被廣泛用于微流體，除了其創(chuàng)新的特性，包括卓越的光學(xué)透射性，生物相容性和高耐化學(xué)性[151]。這類材料具有低吸濕率，高防水性和耐熱性[152]。

然而，COC也存在一些潛在的缺點(diǎn)，如脆性和低熱擴(kuò)散性，這可能會(huì)限制其在某些應(yīng)用中的使用[153]。這種材料也可能受到非極性有機(jī)溶劑如甲苯和己烷的攻擊。此外，COC微流體裝置需要進(jìn)行表面修飾以分離疏水性化合物，因?yàn)樵撐镔|(zhì)具有強(qiáng)疏水性相互作用[154]。為了減少吸附（蛋白質(zhì)或其他化合物），COC芯片表面可以使用聚丙烯酰胺的紫外引發(fā)接枝來(lái)涂覆，例如[155]。對(duì)微通道內(nèi)壁涂層也保持低電滲遷移率，同時(shí)增加通道壁的親水性[156]。

使用環(huán)烯烴共聚物作為模塑材料，成型溫度和壓縮力越高，COC微流控芯片厚度越小[157]。至于在COC上形成圖案，圖案轉(zhuǎn)印保真度與成型溫度和壓縮力無(wú)關(guān)[158]。由器件表面的機(jī)械應(yīng)力引起的白化是由于模制溫度和模具/器件組件[159]的冷卻速率引起的。最后，層壓設(shè)備層間的結(jié)合強(qiáng)度與層壓溫度有關(guān)[160]。

紙/聚合物混合 微流控芯片

微流控免疫測(cè)定裝置具有有趣的特征，例如高表面體積比和微升體積的微通道，然而導(dǎo)致分析時(shí)間從幾小時(shí)到幾分鐘的顯著降低[161]。為解決傳統(tǒng)微孔板的問(wèn)題，微孔板式微流體裝置已經(jīng)開發(fā)用于免疫分析，但即使如此，它們也必須適合于生物分析。它們主要用于酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA），這是最廣泛使用的實(shí)驗(yàn)室疾病診斷方法之一。在低資源環(huán)境下進(jìn)行ELISA是由長(zhǎng)時(shí)間的孵育，大量的貴重試劑和設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室所限制的[162]。

小型化紙/聚合物雜交微流控微孔板（PMMA，PDMS等）是為了解決上述問(wèn)題并降低成本而開發(fā)的[163]。紙混合設(shè)備基于紙微流控芯片概念，同時(shí)糾正其缺點(diǎn)[164]。它們可以快速固定生物分子，并提供高流量控制性能，這是純粹的紙基設(shè)備無(wú)法操作的特點(diǎn)[165]。例如，一些PDMS /紙雜化微流體系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，并且紙張有利于將基于氧化石墨烯的納米傳感器集成在芯片上，而沒(méi)有任何復(fù)雜的表面處理[166]。

這些混合設(shè)備顯示出高通量，并促進(jìn)了護(hù)理點(diǎn)疾病診斷[167]。其眾多優(yōu)點(diǎn)之一是避免使用聚合物（PEI或APTES處理，CNT官能化）時(shí)強(qiáng)制進(jìn)行復(fù)雜的表面改性[168]。在這個(gè)意義上，快速抗體/抗原固定和高效洗滌是通過(guò)在流通微孔中使用多孔紙進(jìn)行的[169]。微通道可以將試劑轉(zhuǎn)移到多個(gè)微孔中，方法更加方便和準(zhǔn)確，可以反復(fù)手動(dòng)移液或使用昂貴的機(jī)器人[170]。此外，比色ELISA的結(jié)果可在一小時(shí)內(nèi)直接觀察到，而無(wú)需熒光顯微鏡等測(cè)量?jī)x器[171]。

微流控芯片制造材料：結(jié)論

自推出以來(lái)，微流體技術(shù)一直在與技術(shù)同步發(fā)展，微流體應(yīng)用領(lǐng)域也在向其他許多學(xué)科擴(kuò)展。生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用與其他領(lǐng)域一起是當(dāng)前研究的主要焦點(diǎn)。就材料和功能而言，雖然玻璃和硅具有重要用途，但聚合材料已成為該領(lǐng)域的首選材料，并且各自具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。雖然PDMS仍然是更常用的微流控材料基板，但是新材料和復(fù)合材料呈現(xiàn)出令人感興趣的特征，從而產(chǎn)生更適應(yīng)大批量生產(chǎn)，價(jià)格更低，適應(yīng)性更強(qiáng)的產(chǎn)品。事實(shí)上，可靠的材料要適應(yīng)該設(shè)備的意圖。

微流體學(xué)是多學(xué)科的，需要不同領(lǐng)域，工程學(xué)以及物理和生物科學(xué)之間的持續(xù)協(xié)調(diào)，以不斷改進(jìn)和發(fā)現(xiàn)哪些優(yōu)勢(shì)完全超越缺點(diǎn)和問(wèn)題。最后，一些材料被用于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的環(huán)保設(shè)備，這些設(shè)備可以在使用后丟棄，例如紙基微流控芯片。