高密度PDMS微孔薄膜的制備方法

Abstract：Aimingattheelasticarraymicroporousfilmsneededfororganchipresearch，methodsformaking polydimethylsiloxane（PDMS）-basedfilmswithhighdensityarrymicroapertureswerestudied，includingtheinfluenceofsuface propertiesofsilicon-basedtemplates，pouringandcuringofthePDMSfilms.Condionsandpelingoftheflms fromthe silicon-basedtemplates.Accordingtovisualobservationandlaserscannerdetectionresults，thesilicon-basedtemplatecoated withSiO2onthesurfacewastreatedwithfluorosilane.Basedonacuratelycontroling thepouringamountandcuring temperature，itwasfurthersubjectedtogravity-asistedpressure-retainingcuring，andcoveredwith PDMSThePCfilmcured togetheron the PDMS completely peeled offthearray microporous PDMS film from the silicon template.

Keywords：polydimethylsiloxane；porous membrane;silicon wafer; silanization; experimental equipment

聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）多孔薄膜，是近年來(lái)備受關(guān)注的器官芯片的關(guān)鍵組件，用作細(xì)胞共培養(yǎng)的支撐載體或物質(zhì)交換的通道等[I-3]。盡管目前一些商品化的多孔薄膜，如聚碳酸酯（PC）或聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）基底的多孔膜也被用于器官芯片，這類薄膜采用核徑跡法（Tracketching）制造，工業(yè)化效率高，但孔徑大小和孔的分布不均勻，一定程度上影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的一致性，同時(shí)此類膜有一定熒光本底，在高靈敏度成像研究中可能干擾檢測(cè)，因此，PDMS微孔薄膜仍然是器官芯片研究的首選。隨著薄膜厚度的降低，PDMS與硅片或玻璃之間的剝離變得困難，馬文哲等利用氫氟酸浸泡硅片以增加其親水性，并通過(guò)三甲基氯硅烷進(jìn)行表面疏水改性，使PDMS薄膜的剝離得以改善。當(dāng)模板上有微柱時(shí)，薄膜的成形與剝離更為困難。針對(duì)高密度微孔薄膜成型和剝離，本實(shí)驗(yàn)對(duì)模板表面性質(zhì)進(jìn)行了表征，同時(shí)通過(guò)對(duì)環(huán)境更為友好的等離子體表面活化及含氟硅烷化處理，實(shí)現(xiàn)易脫模的PDMS高密度多孔薄膜。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

微柱硅片模板購(gòu)自蘇州漢驊半導(dǎo)體有限公司，微柱區(qū)域尺寸 45mm×45mm ，通過(guò)MEMS工藝刻蝕有直徑7μm ，高 50μm ，間距 40μm 的均勻陣列微柱，如圖1所示；三氯（ 1H，1H，2H，2H -全氟辛基）硅烷化試劑購(gòu)自Sigma-Aldrich，CAS號(hào)78560-45-9;高純氧氣（純度大于等于 99.999% ）購(gòu)自深圳市潤(rùn)眾耗材發(fā)展有限公司；PDMS，型號(hào)Sylgard184購(gòu)自道康寧;PC薄膜購(gòu)自At-lantic Gasket。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

真空等離子體清洗機(jī)（NE-PE100F）購(gòu)自深圳納恩科技有限公司；真空泵及干燥器購(gòu)自臺(tái)州藤原工具有限公司；接觸角測(cè)量?jī)x（SDC-200S）購(gòu)自東莞市晟鼎精密儀器有限公司；混勻機(jī)（HM600D）購(gòu)自深圳市哈賽科技有限公司；烘箱購(gòu)自德國(guó)Binder公司。

1.3接觸角測(cè)定

對(duì)等離子體及硅烷化前后的硅片表面進(jìn)行接觸角測(cè)定，將硅片微柱面水平放置在測(cè)量?jī)x載物臺(tái)上，以硅片邊緣向內(nèi) 3mm 區(qū)域?yàn)闄z測(cè)區(qū)域，設(shè)置水滴量為 2μL 進(jìn)行測(cè)量。

1.4等離子表面活化

將硅片微柱面向上，水平放置于等離子體機(jī)內(nèi)，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，包括功率、氧氣流量及活化時(shí)間，如圖2所示。

1.5硅烷化處理

將真空泵和干燥器相連接，并放置于潔凈室通風(fēng)櫥內(nèi)，如圖3所示。此硅烷化試劑具有一定毒性和腐蝕性，操作中需注意個(gè)人防護(hù)及保持通風(fēng)櫥排風(fēng)良好，使用完成后及時(shí)擦拭臺(tái)面及器皿。

如圖4所示，取 5cm×4cm 玻片放置于干燥器底部，用玻璃滴管吸取硅烷化試劑6～8滴，滴至玻片表面，其上放離心管架一個(gè)，避免管架底部與硅烷化試劑直接接觸，放置2片經(jīng)等離子處理的硅片，微柱面向上。蓋上干燥器蓋子，打開真空泵，抽真空 2min 左右，關(guān)閉連接真空泵的三通閥，保持干燥器密閉狀態(tài) 10min 。旋轉(zhuǎn)三通接通空氣，取出硅片，進(jìn)行接觸角測(cè)定及PDMS薄膜制作。

1.6PDMS薄膜制作

將PDMS套裝A、B組分按10：1重量比稱重，放入混勻器進(jìn)行混勻和脫泡 30min 。用 1mL 注射器吸取500μL PDMS混合液，保持注射器垂直于硅片中心，緩緩擠出 100μL ，靜止 5min ，在其上放置一片經(jīng)等離子活化的PC薄膜，靜置 40min ，待PDMS緩緩在硅模板上平鋪，上加 30g 重物，放置于烤箱， 60°C2h ，自然冷卻后取出，去掉重物，用手緩緩剝離塑料薄膜，PDMS薄膜隨塑料薄膜一起剝離，觀察剝離難易及氣泡等缺陷，如圖5所示。

注：（1）為確認(rèn)真空干燥器密封良好；（2）為底部加入硅烷化試劑；（3）為放置待處理硅片于置物架上。

2結(jié)果與討論

2.1模板表面

模板是薄膜成孔的重要基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)采用2種經(jīng)過(guò)氣相刻蝕的硅片：一種為單晶硅，一種為 SiO₂ 鍍層的硅片，微柱規(guī)格一致，直徑 7μm ，高 50μm ，間距 40μm 。

因微柱間有空氣，水滴在微柱表面受重力影響不穩(wěn)定，無(wú)法在測(cè)量期間保持穩(wěn)定的形貌，因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)接觸角的表征均以不含微柱結(jié)構(gòu)的邊緣部分進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，單晶硅和 SiO₂ 鍍層的表面性質(zhì)相似，接觸角在65^°～73^° ，略偏親水。

2.2 等離子體表面活化

通過(guò) 0₂ 等離子體放電，可使硅表面Si-Si鍵斷裂，與空氣中的 _H2O 分子形成Si-OH，促進(jìn)硅烷化過(guò)程。等離子體活化參數(shù)，包括功率 Ω₂ 流量和活化時(shí)間對(duì)表面性質(zhì)有重要影響。硅片表面經(jīng)過(guò)30s活化時(shí)間，接觸角由 73^° 降低至 17^° ，再次進(jìn)行 30s 活化，接觸角未繼續(xù)發(fā)生變化，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。然而， SiO₂ 表層經(jīng)過(guò) 1min 以上的等離子體活化后，表層顏色變淺，有脫落的跡象。為了便于比較，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均保持30s等離子體活化時(shí)間。接觸角說(shuō)明，等離子對(duì)硅片表面的活化與氫氟酸相當(dāng)，但操作更簡(jiǎn)單，無(wú)須試劑，環(huán)境友好。

2.3 硅烷化

所用三氯（1H，1H，2H，2H-全氟辛基）硅烷是一種含氟氯硅烷，可在多種基材上形成自組裝單層膜（SAM），形成超疏水性表面，疏水表面的低表面能降低PDMS薄膜在微柱表面的黏附，硅烷化處理前后的親水角如圖6所示。本實(shí)驗(yàn)采用的硅基模版上的微柱具有7：1的深寬比，在PDMS固化成型后具有較強(qiáng)的黏附，不進(jìn)行硅烷化處理則薄膜剝離過(guò)程容易撕裂無(wú)法脫模。對(duì)Si和 SiO₂ 進(jìn)行硅烷化后進(jìn)行PDMS澆筑，薄膜固化后的剝離結(jié)果如圖7所示。其中Si硅烷化后仍然容易和PDMS薄膜局部粘連，雖可以脫模，但局部區(qū)域有褶皺，而 SiO₂ 表面經(jīng)硅烷化后，雖局部也有少許缺陷，如小氣泡等，但沒(méi)有出現(xiàn)如Si表面硅烷化后的大褶皺，缺陷相對(duì)較少。通過(guò)高倍激光掃描顯微鏡表征，如圖8所示，通過(guò)硅烷化后的SiO₂ 模板制作出的薄膜微孔清晰，均勻，一致性好。

注：（1）為PDMS滴液；（2）為表面覆蓋PC薄膜;（3）為固化，標(biāo)記缺陷；（4）為揭膜。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明在陣列多孔PDMS薄膜制作過(guò)程中，模板表面性質(zhì)及硅烷化處理對(duì)此類薄膜脫模的影響及其重要性。硅模板表面經(jīng)過(guò) SiO₂ 鍍層的相較單晶Si表面更適合高密度陣列的PDMS薄膜的制作及剝離。此方法制作的薄膜可以為后續(xù)薄膜在器官芯片研究中的應(yīng)用提供更高的薄膜利用率和良品率。

參考文獻(xiàn)：

[1]KESHTIBAN M M，ZAND M M，EBADI A，et al. PDMSbased porous membrane for medical applications：design，development，andfabrication[JJ.BiomedicalMaterials，2O23，18 （4）：45012.

[2]BANIKS，UCHILAA，KALSANGT，etal.The revolution of PDMSmicrofluidics in cellular biology [J].Critical Reviews in Biotechnology，2023，43（3）：465-483.

[3]MELIKHANT，SAVAST.Viablecell culture in PDMS-based microfluidic devices[J].Methods in Cell Biology，2018，148：3- 33.

[4]ROSS B，HANSEUPK.Characterization of a microfluidic in vitro model of the blood-brain barrier（ μ BBB）[J].Lab on a Chip，2012（10）：1784-1792.

[5]馬文哲，桑勝波，胡杰，等.聚二甲基硅氧烷薄膜的襯底硅烷化及 測(cè)試分析[J].現(xiàn)代化工，2013（9）：142-145.

[6]TANGK C，LIAO E，ONG WL，et al.Evaluation of bonding between oxygen plasma treated polydimethyl siloxane and passivated silicon，Journal of Physics[J]. Conference Series， 2006，34：155-161.