聚二甲基硅氧烷，又稱PDMS或二甲基硅氧烷，是一種廣泛用于微流控芯片制造和成型的聚合物。它是硅氧烷家族的一種礦物-有機(jī)聚合物(含有碳和硅的結(jié)構(gòu))。除微流控外，它還可用作食品添加劑(E900)、洗發(fā)水以及飲料或潤(rùn)滑油中的消泡劑。為了制造微流控器件，將PDMS(液體)與交聯(lián)劑混合倒入微結(jié)構(gòu)模具中并加熱，便可得到具有彈性的PDMS器件(PDMS交聯(lián))。

PDMS的化學(xué)性質(zhì)

一些化學(xué)知識(shí)
一點(diǎn)化學(xué)知識(shí)將幫助我們更好地理解PDMS在微流控應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。PDMS的經(jīng)驗(yàn)式為(C2H6OSi)n，其碎片式為CH3[Si(CH3)2O]NSI(CH3)3，n為單體重復(fù)數(shù)。根據(jù)單體鏈的大小，非交聯(lián)型PDMS可以是幾乎液態(tài)(低n)或半固態(tài)(高n)。硅氧烷鍵形成了具有高粘彈性的柔性聚合鏈。

“交聯(lián)化”之后

PDMS成為一種疏水彈性體。極性溶劑，如水，難以濕潤(rùn)PDMS(水珠且不擴(kuò)散)，這導(dǎo)致PDMS表面吸附來自水的疏水污染物。

PDMS氧化
等離子體氧化改變了PDMS的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，并在其表面生成硅醇端基(SiOH)。這有助于使PDMS具有30分鐘左右的親水性。這一過程還使表面對(duì)疏水和帶負(fù)電荷的分子的吸附具有抵抗力。此外，PDMS等離子體氧化用于用三氯硅烷對(duì)PDMS表面進(jìn)行功能化，或通過創(chuàng)建Si-O-Si鍵將PDMS在氧化玻璃表面上共價(jià)鍵合(原子尺度上)。無論PDMS表面是否被等離子體氧化，都不允許水、甘油、甲醇或乙醇滲透和連續(xù)變形。因此，可以在不擔(dān)心微結(jié)構(gòu)變形的情況下將PDMS與這些流體一起使用。然而，在二異丙胺、氯仿和乙醚的存在下，PDMS發(fā)生變形和膨脹，在丙酮、丙醇和吡啶的存在下，PDMS的變形和膨脹程度較小，因此PDMS不適合于許多有機(jī)化學(xué)應(yīng)用。

PDMS在微流控中的應(yīng)用

PDMS是成型微流控器件最常用的材料之一。在這里，我們簡(jiǎn)單概括下用軟光刻方法制造微流控芯片的方法。
(1)成型步驟允許從模具批量生產(chǎn)微流控芯片。
(2)將PDMS(液體)和交聯(lián)劑(用于固化PDMS)的混合物倒入模具中，并在高溫下加熱。
(3)一旦PDMS硬化，可以將其從模具上取下。我們得到了PDMS塊上微通道的復(fù)制品。微流控裝置完工：
(4)為了能夠?yàn)閷淼膶?shí)驗(yàn)注入流體，微流控裝置的輸入和輸出被用未來連接管大小的PDMS打孔機(jī)沖壓。
(5)對(duì)帶有微通道的PDMS塊表面和玻片表面進(jìn)行等離子體處理。
(6)等離子體處理允許PDMS和玻璃鍵合關(guān)閉微流控芯片。

該芯片現(xiàn)在可以使用微流控管連接到微流控儲(chǔ)液器和泵上。聚乙烯管材和特氟龍管材是微流控裝置中最常用的管材。

為什么要使用PDMS制造微流控器件？

選擇PDMS來制造微流控芯片的主要原因:

人肺泡上皮和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞在PDMS芯片中培養(yǎng)以模擬肺功能

它在光學(xué)頻率(240 NM-1100 NM)下是透明的，便于目測(cè)或通過顯微鏡觀察微通道中的內(nèi)容物。它的自發(fā)熒光很低。它被認(rèn)為是生物相容的(有一些限制)。PDMS通過簡(jiǎn)單的等離子體處理與玻璃或其他PDMS層緊密結(jié)合。這使得多層PDMS設(shè)備的生產(chǎn)能夠利用玻璃基板提供的技術(shù)可能性，例如使用金屬沉積、氧化物沉積或表面功能化。在交聯(lián)過程中，可以使用簡(jiǎn)單的紡絲涂層在襯底上以可控的厚度涂覆PDMS。這使得多層器件的制造和微閥的集成成為可能。它是可變形的，允許利用PDMS微通道的變形集成微流控閥，輕松連接防泄漏的流體連接，并使用它來檢測(cè)非常低的力，如細(xì)胞的生物力學(xué)相互作用。與以前使用的材料相比，它更便宜，PDMS也很容易成型，因?yàn)榧词古c交聯(lián)劑混合，它在室溫下也能保持液態(tài)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。PDMS可以高分辨率地模制結(jié)構(gòu)，更可以通過一些優(yōu)化，塑造幾納米的結(jié)構(gòu)。它是可透氣的。它通過PDMS或末端通道填充(液體壓力下的殘余氣泡可能通過PDMS逃逸以平衡大氣壓力)來控制氣體的量，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)。

微流體應(yīng)用的PDMS問題:

玻璃上沉積的電極將集成在PDMS微流控芯片中

在PDMS上進(jìn)行金屬和介質(zhì)沉積幾乎是不可能的。這嚴(yán)重限制了電極和電阻的集成。然而，由于PDMS使用等離子處理可以很容易地粘接到玻璃片上，即使較大的金屬區(qū)域會(huì)阻礙良好的粘接，這個(gè)問題也被最小化了。因此，各種薄的金屬層或電介質(zhì)沉積可以在玻璃片上進(jìn)行。PDMS會(huì)老化，因此幾年后這種材料的機(jī)械性能可能會(huì)發(fā)生變化。它可以吸附疏水分子，并能將一些交聯(lián)性差的分子釋放到液體中，這可能是PDMS微流控器件中一些生物學(xué)研究的問題。PDMS對(duì)水蒸氣具有滲透性，這使得PDMS設(shè)備中的蒸發(fā)很難控制。PDMS對(duì)某些化學(xué)品的暴露很敏感。

不同PDMS在微流控中的應(yīng)用

PDMS用于制造微流控器件(單層和雙層)和微壓印郵票。對(duì)于這些應(yīng)用，研究人員通常使用兩種類型的PDMS：PDMS RTV-615和PDMS Sylgard 184。這兩個(gè)PDM的確切組成是…。是保密的。然而，有了經(jīng)驗(yàn)，研究人員可以幫助選擇最適合應(yīng)用程序的PDMS：
1)PDMS RTV-615。
S.Quake的首選PDMS(微流控閥門的共同發(fā)明者)。最堅(jiān)固、最方便粘合雙層微流控器件
不同批次之間的等離子體結(jié)合強(qiáng)度存在差異。這使得有必要在每次購買時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)。

2) PDMS Sylgard 184(道康寧)。
更干凈的PDMS。這種PDMS較少用于多層芯片。這使得兩個(gè)PDMS層之間的粘接變得更加困難。它在器件制造過程中會(huì)產(chǎn)生更多的故障。這種PDMS最常用于微流控芯片中的哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)。

聚二甲基硅氧烷的耐化學(xué)性

下面是微結(jié)構(gòu)PDMS(h：11微米，L：45微米)在多種化學(xué)品中的浸泡研究，這項(xiàng)研究是用PDMS Sylgard 184進(jìn)行的。