軟光刻技術(shù)可通過(guò)在可變形彈性體（例如聚二甲基硅氧烷（PDMS））上使用光刻圖形化模具，實(shí)現(xiàn)具有精確特征的微流控器件快速成型（rapid prototyping）。在微流控應(yīng)用中，PDMS的柔軟性是一個(gè)劣勢(shì)，目前已有多種更剛性的材料出現(xiàn)。與其它可替代的材料相比，由環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃制成的微流控器件具有優(yōu)異的機(jī)械性能、特征分辨率和溶劑兼容性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國(guó)波士頓馬薩諸塞州總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital）的研究人員提出了一種通過(guò)軟光刻圖案化環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃，制造剛性微流控器件的詳細(xì)分步方案。同時(shí)，他們對(duì)該鍵合方案進(jìn)行了優(yōu)化，使剛性微流控器件能夠承受超500磅/平方英尺（psi）的壓力。研究人員通過(guò)該方法演示了使用剛性高縱橫比螺旋微通道進(jìn)行高通量細(xì)胞聚焦。

該方案主要包括三個(gè)步驟：（1）PDMS模具制備；（2）環(huán)氧樹(shù)脂澆注；（3）模具脫模、后處理和鍵合（見(jiàn)圖1和圖2）。在完成步驟（1）之后，模具可安全存放一邊，其余的步驟可隨時(shí)進(jìn)行。接下來(lái)澆注環(huán)氧樹(shù)脂（即步驟（2）），并在20~24小時(shí)后的第二天進(jìn)行脫模（即步驟（3）），脫模后立即進(jìn)行鍵合。在此過(guò)程中，假設(shè)研究人員熟悉使用剛性硅片模具的常規(guī)PDMS軟光刻技術(shù)。開(kāi)始操作之前，需要一個(gè)具有所需圖案化特征的主模具，例如硅片上的圖案化SU-8（一種負(fù)性厚光刻膠）薄膜。最終的剛性微流控器件中的流道應(yīng)是主模具上的凸起，就像傳統(tǒng)PDMS微流控器件一樣。

圖1 基于環(huán)氧樹(shù)脂的微流控器件制備工藝

圖2 基于環(huán)氧樹(shù)脂的微流控器件制備工藝的示例照片

環(huán)氧樹(shù)脂制造的優(yōu)化

研究人員優(yōu)化了幾個(gè)工藝變量，目的是能夠可靠地制造耐高壓的微流控器件，主要優(yōu)化了脫模前的固化時(shí)間、等離子處理時(shí)間和鍵合后熱板的靜置時(shí)間。為了測(cè)試微流控器件的鍵合強(qiáng)度，他們制造了僅有單個(gè)端口（即無(wú)出口）的器件，并將其連接到帶有集成壓力傳感器、型號(hào)為100DX的高壓注射泵上。在數(shù)分鐘內(nèi)，用去離子（DI）水對(duì)微流控器件逐步加壓，直至新增壓力失效，記錄失效前的峰值壓力。

圖3 鍵合強(qiáng)度的優(yōu)化

首先，研究人員假設(shè)，如果環(huán)氧樹(shù)脂具有更多可用的反應(yīng)性基團(tuán)，則經(jīng)過(guò)短于24小時(shí)的固化時(shí)間可以提高鍵合強(qiáng)度。但固化時(shí)間短于20小時(shí)時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂太軟太粘，無(wú)法從模具中移除。另一方面，研究人員觀察到，固化時(shí)間超過(guò)30小時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂幾乎完全硬化，不能鍵合到載玻片上。在這段時(shí)間內(nèi)，他們觀察到在較短固化時(shí)間下，鍵合壓力趨于增高，測(cè)試的最短固化時(shí)間為20小時(shí)時(shí)，最大的鍵合壓力為670 psi（圖3a）。

最后，研究人員使用基于優(yōu)化了結(jié)果的工藝制作了兩個(gè)微流控芯片，預(yù)計(jì)該工藝能夠最大限度地提高鍵合強(qiáng)度（20小時(shí)固化時(shí)間，30秒等離子體處理及3分鐘熱板靜置時(shí)間）。這致使基于上述兩個(gè)芯片的器件能夠承受714.5 psi的平均壓力，比優(yōu)化期間的先驗(yàn)最佳狀態(tài)高出約12%。

在剛性高縱橫比螺旋微通道中進(jìn)行慣性彈性細(xì)胞聚焦

研究人員使用優(yōu)化后的制備工藝制作了具有更高縱橫比的螺旋微通道，并測(cè)試了其用于高通量慣性彈性細(xì)胞聚焦的性能。對(duì)于涉及大樣本量的慣性聚焦生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，細(xì)胞上的最大剪應(yīng)力必須保持在一定范圍內(nèi)以避免損傷。他們假設(shè)一個(gè)非常高的縱橫比微通道（即10:1或更高）會(huì)有數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。然而，如果高縱橫比通道由可變形材料制成，它們也更容易在壓力下膨脹。

與PDMS微流控器件相比，環(huán)氧樹(shù)脂微流控器件能夠抵抗變形并承受更高的壓力。在開(kāi)發(fā)該工藝時(shí)，研究人員基于先前的經(jīng)驗(yàn)，將環(huán)氧樹(shù)脂確定為高性能材料，目的是使全球各地已使用PDMS和軟光刻的微流控相關(guān)實(shí)驗(yàn)室能夠更容易使用該工藝。

研究人員利用剛性環(huán)氧樹(shù)脂微流控器件研究了高縱橫比微通道中的細(xì)胞聚焦性能。與中等縱橫比的微通道（即4:1或更小）相比，高縱橫比的彎曲微通道具有在較高雷諾數(shù)下抑制Dean流二次渦流發(fā)生的優(yōu)勢(shì)，這使得細(xì)胞可以在較高流速下高效聚焦。根據(jù)其他研究人員的測(cè)量，該溶液（1.5 MDa，0.5 mg/ml透明質(zhì)酸的磷酸鹽緩沖溶液（PBS））的流體力學(xué)性能可大致估計(jì)為約5 mPa·s的零剪切粘度和約10 ms的弛豫時(shí)間。特征通道寬度為100 μm時(shí)，最高測(cè)試流速2.4 ml/min，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)約為8，魏森貝格數(shù)約為40。觀測(cè)到的聚焦特性與其它研究具有相似彈性數(shù)的流動(dòng)結(jié)果一致。

該剛性微流控器件的制備工藝有幾個(gè)潛在的限制。其中一個(gè)潛在限制是，其對(duì)于柱或薄壁等高縱橫比特征來(lái)說(shuō)不理想，因?yàn)楫?dāng)環(huán)氧樹(shù)脂部分仍然處于柔軟狀態(tài)時(shí)，模具就會(huì)被釋放。釋放和鍵合是具有更高縱橫比特征的微流控器件可能需要額外的優(yōu)化和實(shí)踐。然而，環(huán)氧樹(shù)脂為高通量微流控應(yīng)用提供了優(yōu)異的機(jī)械性能和表面光潔度。這個(gè)詳細(xì)的制備工藝將允許更多的實(shí)驗(yàn)室輕松地將剛性微流控器件集成到他們現(xiàn)有的基于PDMS的原型制作工藝流程中。

審核編輯：劉清