聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新興的智能功能

來源：發(fā)布時(shí)間：2025-06-13

概述

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流體芯片制造的常用聚合物，因其透明、生物相容、氣體滲透、可變形、易粘合且便宜等特性成為理想材料，制造需經(jīng)混合脫氣、倒入模具、固化、打孔、等離子處理等步驟，但存在金屬沉積困難、老化、自熒光、分子吸附及水蒸氣滲透等挑戰(zhàn)。如今，智能 PDMS 發(fā)展出自清潔（如涂層或微納米結(jié)構(gòu)化）、自我修復(fù)（高模量或靜電紡絲）、自我報(bào)告（微膠囊嵌入或機(jī)械發(fā)光）等新興功能，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用潛力。

一、PDMS 的基本概念與結(jié)構(gòu)

1. 定義：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是硅氧烷家族的礦物有機(jī)聚合物，分子式為 (C?H?OSi) N，常用于微流體芯片制造，也作為食品添加劑（E900）、抗泡沫劑等。

2. 化學(xué)結(jié)構(gòu)：由硅氧鍵（Si-O）連接甲基側(cè)鏈，形成柔性聚合物鏈，交聯(lián)后成為疏水性彈性體，表面能低，易導(dǎo)致液滴珠狀分布。

二、PDMS 微流體器件制造 **步驟

1. 混合脫氣：PDMS 與固化劑混合后去除氣泡。

2. 倒模：將混合物倒入母模（軟光刻制備的負(fù)像模具）。

3. 固化：高溫加熱使 PDMS 硬化。

4. 打孔：在 PDMS 塊上加工流體進(jìn)出口，孔徑略小于連接管。

5. 等離子鍵合：處理 PDMS 與玻璃表面，實(shí)現(xiàn)密封。

2. 模具優(yōu)勢：單個(gè)母?？芍貜?fù)使用，支持微流體芯片大規(guī)模生產(chǎn)。

三、PDMS 作為微流體材料的優(yōu)勢

四、PDMS 應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

1. 材料缺陷

1. 老化：機(jī)械性能隨時(shí)間改變。

2. 自熒光：影響熒光檢測實(shí)驗(yàn)。

3. 分子行為：吸附疏水分子，釋放物質(zhì)干擾實(shí)驗(yàn)，水蒸氣滲透導(dǎo)致蒸發(fā)難控。

2. 工藝限制：金屬和電介質(zhì)難以直接沉積，需通過旋涂未固化 PDMS 層克服。

五、PDMS 的化學(xué)抗性數(shù)據(jù)（Sylgard 184）

六、PDMS 主要類型對比

· RTV-615：強(qiáng)度高，適合雙層器件及微閥，但批次間粘合強(qiáng)度差異大，雜質(zhì)較多。

· Sylgard 184：純度高，常用于哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)，多層鍵合可靠性低。

七、智能 PDMS 的新興功能

1. 自清潔功能

· 表面涂層：接枝 pH 敏感聚合物（GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下大腸桿菌附著量降低 98%。

· 微納米結(jié)構(gòu)化：超疏水 MNDS 膜，通過 DRIE 技術(shù)制備，無需表面活性劑。

2. 自我修復(fù)功能

· 高模量改性：引入酰基氨基脲（ASC）基團(tuán)，保持透明性，提升剛度。

· 靜電紡絲：201.2μm 厚薄膜，95 小時(shí)室溫愈合 60%。

3. 自我報(bào)告功能

· 微膠囊嵌入：釋放電荷轉(zhuǎn)移前體，損傷時(shí)顏色轉(zhuǎn)換，可復(fù)合自我修復(fù)劑。

· 機(jī)械熒光：MPS 官能化 PDMS，應(yīng)力與熒光強(qiáng)度呈線性關(guān)系。

· 機(jī)械發(fā)光：摻入二氟龍染料，增強(qiáng) MCL 強(qiáng)度，診斷熱 / 機(jī)械損傷。

關(guān)鍵問題

1. 為什么 PDMS 適合用于微流體芯片制造？

答案：PDMS 因具備透明性（240nm-1100nm 波長透光）、生物相容性、氣體滲透性（可平衡壓力）、可變形性（集成微閥）、易粘合性（等離子處理后與玻璃 / PDMS 鍵合）及低成本等優(yōu)勢，成為微流體芯片制造的理想材料。其室溫下可模具數(shù)小時(shí)，結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)納米級，且單個(gè)模具可重復(fù)生產(chǎn)，支持大規(guī)模制造。

2. PDMS 在微流體應(yīng)用中面臨哪些主要挑戰(zhàn)？

答案：PDMS 的主要挑戰(zhàn)包括：金屬 / 電介質(zhì)沉積困難（需通過旋涂未固化層間接實(shí)現(xiàn)）；材料老化導(dǎo)致機(jī)械性能改變；自熒光特性干擾檢測；疏水分子吸附和物質(zhì)釋放影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性；水蒸氣滲透性使蒸發(fā)難以控制；對甲苯（增重 45.51%）、硫酸（增重 - 14%）等化學(xué)物質(zhì)敏感。

3. 智能 PDMS 有哪些創(chuàng)新功能，如何實(shí)現(xiàn)？

答案：智能 PDMS 具備三大功能：

· 自清潔：通過表面接枝 pH 敏感聚合物（如 GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），堿性條件下抑菌率達(dá) 98%；或制備微納米結(jié)構(gòu)化超疏水膜（MNDS），通過 DRIE 技術(shù)增強(qiáng)表面鈍化。

· 自我修復(fù)：引入高模量 ASC 基團(tuán)提升材料剛度，或通過靜電紡絲制備厚膜（201.2μm），95 小時(shí)室溫愈合 60%。

· 自我報(bào)告：嵌入微膠囊釋放電荷轉(zhuǎn)移前體（CTC），損傷時(shí)顯色；或通過機(jī)械熒光基團(tuán)（MPS）、機(jī)械發(fā)光染料（二氟龍 β- 二酮酸酯）實(shí)現(xiàn)應(yīng)力 - 熒光 / 發(fā)光信號轉(zhuǎn)化，可視化損傷程度。