微流控作為一種新興的技術(shù)有著巨大的潛力，已經(jīng)在各種各樣的如化學(xué)，生物，物理，生物醫(yī)學(xué)工程各領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)利益的。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其潛力正在顯現(xiàn)，顯示出集成到多學(xué)科系統(tǒng)中的巨大希望。為了使不同設(shè)備的不同實(shí)驗(yàn)室之間的改進(jìn)和集成鋪平道路，至關(guān)重要的是使這些系統(tǒng)的成本盡可能低，并使它們更易于制造，修改和集成。用PDMS制造微流體芯片的過(guò)程包括：首先制造模具，然后將PDMS混合物倒入模具中，將其放入干燥器中以除去氣泡，在指定的溫度和時(shí)間段內(nèi)將其固化，最后將其等離子體粘合在玻璃上基板。盡管這是制造微流控芯片的標(biāo)準(zhǔn)方法，但在某些國(guó)家，這種材料的獲取和光刻設(shè)備的使用較少，仍然是耗時(shí)且昂貴的。

PDMS具有出色的功能，如柔韌性，透明性，生物相容性和氣體滲透性。然而，它的低的功能，如在IR范圍內(nèi)弱傳輸行為，長(zhǎng)的固化時(shí)間，而事實(shí)上，該芯片被固化后，它不能被修改。在本文中介紹了乙烯乙酸乙烯酯（EVA）作為PDMS的替代品，保留了它的大部分重要功能，并增加了一些其他功能。

乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），它是一種用于制造不同微流體芯片的新型聚合物基材料，在微流體系統(tǒng)的制造，集成和功能方面帶來(lái)了新特性和新工具。我們將此材料放在PDMS旁邊，以比較這些材料的各個(gè)方面。我們已經(jīng)表明，除了低成本能力，普遍存在性，幾何可修改性和EVA芯片的易制造性之外，由于EVA的疏水性和太赫茲（THz）吸收比PDMS低，因此與PDMS相比，EVA芯片還可以工作速度更快，通道阻塞的次數(shù)更少，可用于太赫茲（THz）生物傳感應(yīng)用，例如基于超材料的癌癥檢測(cè)。最后，使用EVA制造了幾種器件，以展示這種材料在微流控芯片制造中的功能性和多功能性。由于EVA芯片的疏水性和太赫茲（THz）吸收率均低于PDMS，因此與PDMS相比，EVA芯片工作更快，通道阻塞數(shù)量更少，并且可用于太赫茲（THz）生物傳感應(yīng)用，例如基于超材料的癌癥檢測(cè)。

1.基于EVA的微流控芯片

乙烯-乙酸乙烯酯（EVA），也稱為聚（乙烯-乙酸乙烯酯）（PEVA），是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物（圖 1）。乙酸乙烯酯的重量百分比通常為10％至40％，其余為乙烯。VA含量約為11％的材料用作熱熔膠。EVA是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，方便，易于使用，生物相容性，半柔性，并具有良好的透明度（在視覺(jué)和紅外范圍）。至于價(jià)格，對(duì)于每個(gè)典型的微流控芯片，相當(dāng)數(shù)量的3克材料，PDMS的成本約為1美元，而EVA的成本僅為0.6美分，并且更高的熱成本和耗時(shí)PDMS的固化和粘結(jié)過(guò)程增加了成本。除了上述特征之外，賦予這種材料獨(dú)特關(guān)注的最有益的特性之一是即使在芯片粘結(jié)后也能夠修改芯片的幾何形狀和結(jié)構(gòu)或?qū)⒉煌挠性聪到y(tǒng)集成到其中。

圖1、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.EVA芯片制造

        使用這種材料的芯片制造快速而直接。首先，通過(guò)3D打印或光刻膠、光刻或其他常規(guī)方法制備模具。之后，應(yīng)使用熔化的熱膠（EVA11％）作為模具的填充材料?？梢酝ㄟ^(guò)先將EVA熔化然后將其倒入模具中完成，或者使用熱風(fēng)槍本身進(jìn)行填充（圖 2）。第一種方法比較耗時(shí)，但是隨著氣泡在熔化過(guò)程中消失，結(jié)果會(huì)更好，而且我們有均勻熔化的EVA來(lái)制造切屑。此步驟在150°下進(jìn)行15-20分鐘。至于第二種方法，它更快，但是在下一制造階段需要更多的努力才能得到無(wú)氣泡的芯片。

圖2、EVA的熔化：（a）使用罐，（b）直接使用噴槍。

為了防止EVA與模具過(guò)度粘合，可以使用純潤(rùn)滑劑，以便可以輕松地將其從PLA或ABS模具等熱敏材料上剝離。然后將入口和出口穿過(guò)芯片的這一側(cè)。最后，要完成芯片，需要用一塊玻璃將其粘合。通常，將芯片直接粘合到玻璃上會(huì)產(chǎn)生理想的結(jié)果。但是，為了保持通道中的更大壓力，由于EVA與自身的粘合性更高，因此可以在通道的另一側(cè)涂覆一層均勻的EVA。芯片（EVA-EVA和EVA玻璃）的熱粘合可以通過(guò)兩種技術(shù)完成。第一種方法（圖 3），將一塊玻璃放在加熱器上并加熱到120°。然后，以最小的推動(dòng)力（例如手指觸摸）將頂層放在其上，以使其與玻璃或玻璃上的EVA涂層接觸。最后，在10秒或更短的時(shí)間內(nèi)（取決于厚度和通道尺寸），切屑將完全浸入冷水中。在這一部分中，粘接所需的壓力不應(yīng)使玻璃上的熔融層變形以確保通道是開(kāi)放的，并且浸沒(méi)步驟應(yīng)盡快完成，以確保芯片無(wú)缺陷。在第二種方法中，為了獲得更高的可重復(fù)性和無(wú)缺陷的結(jié)果，可以使用微波爐進(jìn)行熱粘合。在此步驟中，將一塊玻璃放在微波爐中。然后將水噴在其上，以便在表面上形成均勻的水滴涂層。最后，將芯片的頂部放在玻璃板上，微波將運(yùn)行約10 s。此步驟所需的時(shí)間取決于頂層的重量以及所使用的微波功率，因此，反復(fù)試驗(yàn)是找到所需結(jié)果的過(guò)程的一部分。

圖3、使用加熱器和冷水粘合EVA芯片。（a）在加熱器上加熱一塊玻璃，（b）將制成的芯片放在玻璃上，（c）施加一段時(shí)間的壓力，這取決于厚度和通道尺寸，并且（d）之后迅速浸入水中最后一步。

3.微流控EVA特性

生物相容性

像PDMS這樣的材料，最重要的特征之一就是細(xì)胞相容性和體外細(xì)胞培養(yǎng)的生物相容性。在不同的報(bào)告指出，EVA已經(jīng)證明在各種醫(yī)療應(yīng)用長(zhǎng)期和成功的作用，在這些應(yīng)用中一直是創(chuàng)新的材料。在其中一些中，我們可以命名為非腸道血液輸送，復(fù)合液體非腸道輸送，生物制劑的非腸道輸送以及適用于低溫干細(xì)胞存儲(chǔ)的醫(yī)療袋。所以，因?yàn)樗窃诓煌幕衔锖徒Y(jié)構(gòu)在食物和藥物遞送行業(yè)廣泛使用很顯然，EVA是生物相容的，并提供相同的可用性為廣大各種生物系統(tǒng)的。

靈活性

PDMS和EVA的應(yīng)力應(yīng)變比圖如圖4所示 。在此實(shí)驗(yàn)中，我們將應(yīng)變添加到兩個(gè)相同的樣本中并測(cè)量了應(yīng)力。如圖 4如圖所示，很明顯，在相同的應(yīng)變量下，EVA承受的應(yīng)力更大，這意味著它的彈性較小。PDMS在55％應(yīng)變時(shí)達(dá)到斷裂點(diǎn)，而EVA繼續(xù)其非彈性行為直到180％應(yīng)變，這表明EVA更加堅(jiān)固，但在不同情況下顯示的柔韌性較低。但是，在足以滿足大多數(shù)要求的足夠薄的微流體芯片（小于5毫米）中，柔韌性方面略有差異，并且可以認(rèn)為兩者都是柔韌性的。

圖4、EVA與PDMS之比的應(yīng)變應(yīng)力

太赫茲透明性和吸收性

從（圖5）可以明顯 看出，在0.5–1.5 Thz的頻率范圍內(nèi)，與不同固化溫度下的PDMS相比，EVA具有較低的吸收系數(shù)。為了更好地理解比較結(jié)果，圖6中顯示了吸收系數(shù)比的圖表。 ）即使在1.5 Thz左右的高頻率下也清晰可見(jiàn)，EVA的吸收率較低，并且比率仍超過(guò)1。盡管PDMS（80°）和EVA（12％）的吸收系數(shù)接近1.5 Thz，但在此溫度下用PDMS進(jìn)行芯片制造比較耗時(shí)，這增加了該材料的生產(chǎn)成本。因此，我們可以看到EVA在太赫茲區(qū)域的透明性方面占了上風(fēng)，因此這種材料對(duì)于特殊應(yīng)用（例如超材料生物傳感器，微粒的捕獲和感測(cè)，用于感測(cè)的納米流體等）更加有用。

圖5、PDMS在不同固化溫度下的吸收系數(shù)與EVA的比較（12％）

疏水性

為了比較這兩種材料的疏水性，我們測(cè)量了兩種材料中DI水滴的接觸角，如圖（7）所示。 ）。通過(guò)測(cè)量該參數(shù)，可以得出結(jié)論：EVA的接觸角更小，這意味著EVA比PDMS更具親水性（更易潤(rùn)濕）且疏水性小，這是微流體設(shè)備的基本特征。因?yàn)樵诟叨仁杷缘牟牧希ɡ鏟DMS）中，幾次使用后微通道會(huì)被阻塞，但是在疏水性較弱的材料（例如EVA）中，我們很少會(huì)遇到阻塞的通道，因此我們可以多次使用EVA微流體芯片而無(wú)需任何操作問(wèn)題。

圖7、左：PDMS，右：EVA的接觸角測(cè)量。EVA具有較小的接觸角，這意味著EVA比PDMS更具親水性（更易潤(rùn)濕）并且疏水性更小。

EVA作為PDMS的新替代品，用于制造不同的微流控設(shè)備。我們證明了這種材料在經(jīng)濟(jì)成本，制造時(shí)間損失，處理，耐用性，吸收性，粘合性和易用性方面均具有優(yōu)勢(shì)。兩種材料的生產(chǎn)成本均根據(jù)材料成本進(jìn)行了評(píng)估，這對(duì)基于EVA微流控芯片的POCT和醫(yī)療設(shè)備的批量生產(chǎn)顯示出了廣闊的前景，并且EVA的易于生產(chǎn)和加工顯示出將POCT商業(yè)化的巨大飛躍?；谖⒘黧w的設(shè)備。研究了這兩種材料的機(jī)械性能，盡管與PDMS相比，EVA表現(xiàn)出的柔韌性比PDMS小，但其應(yīng)變卻更大。在生物相容性方面，EVA在適用于此問(wèn)題的各種醫(yī)療應(yīng)用中已顯示出長(zhǎng)期成功的作用。此外，已證明EVA的疏水性低于PDMS，并且流體可以更快，更容易地流入微通道，而通道阻塞的可能性更低。最后，我們證明了這種材料在太赫茲范圍內(nèi)更透明的行為，使得該領(lǐng)域的新思想得以出現(xiàn)，作為針對(duì)癌癥和不同細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的傳感和診斷設(shè)備。

A novel, low cost, and accessible method for rapid fabrication of the modifiable microfluidic devices

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-020-73535-w