用于三维微流控芯片阳模制备的成型装置控制系统设计(3)
1.2.微流控芯片制备技术
1.2.1制备材料
微流控分析芯片源于微系统技术，早期材料常用的是由晶体硅和玻璃制备[5-6]。目前，由于高分子聚合物材料成本低、易加工和生产线标准化等优点，逐渐进入人们的视野。用于微流控芯片制作的高分子聚合物材料主要有三大类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物[7]。热塑性聚合物包括有聚酰胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(也称硅酮弹性体或硅橡胶，PDMS)、环氧树脂和聚氨酯等，将它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等，将它们溶于适当的溶剂后，经过缓慢的挥发溶剂而得到芯片[8-9]。
PDMS材料因其具有显著的优势，在学术界和产业界的微流控芯片制备研究中得到了广泛的应用[10-11]。PDMS芯片经软刻蚀加工技术，可以实现高精度微结构的生成。并且，由于这种材料的弹性，可以更好地与外界部件进行整合。PDMS芯片应用在某些生物实验中，可以形成足够稳定的温度梯度，便于反应的实现。除此之外，由于其对可见光与紫外光的课穿透性，使得其得以与多种光学检测器实现联用。在细胞实验中，由于PDMS的无毒特征以及透气性，因此显现出其他聚合物材料相比不可替代的地位。
1.2.2 PDMS微流控芯片制备方法
软光刻法是目前PDMS微流控芯片最主要的制备方法，这是一种近似微加工和纳米加工，并基于自组装和复制成型的非光刻技术。PDMS微流控芯片可通过在阳模上浇筑PDMS树脂并固化成型而制得。微流控芯片的阳模可通过传统的微机械加工技术或使用感光聚合物材料如SU-8制得。由于这些传统的方法需要复杂的设备并耗时很多，因此，开发简单的、低成本的阳模制备方法，对制备PDMS微流控芯片是非常重要的。目前，国内外已经出现了一些简单廉价的阳模制备方法[12-13]，包括通过丝网印刷光敏聚合物如WA210或阻焊剂，激光局部快速固化，缩泥或收缩剂印刷在柔性胶片上，黄铜或薄铜片的调色剂的印刷掩模蚀刻，通过热压PMMA的冰水图案，液态成型蜡图案纸，蜡印刷在纸和蜡或塑料的快速成型。
然而，这些方法有许多局限性,加工处理后发生热收缩，使结构的具体尺寸受到影响。而塑料模具是刚性的并且不适合于弯曲或溶蚀。因而提出，蜡是一种便宜和容易获得的材料，并且可以在PDMS固化之后被熔化消失，这样能够实现一些复杂的PDMS微观结构。基于石蜡打印制备PDMS阳模的微流控器件制备过程如图1.2所示[14]。
图1.2 石蜡打印-PDMS微流控器件的制备过程
1.2.3基于液滴微喷射的微流控芯片制作技术
应用液滴微喷射技术制作PDMS微流控芯片阳模具有以下几个方面的优势：
(a)基于液滴微喷射制作微流体器件，阳模为直接成型，工艺设计和制作周期短，制作方法简单，避免了传统光刻工艺的（包括预处理、涂胶、前烘、显影等）步骤。有利于降低整体制作成本[18]。
(b)属于非接触式制作方法，无需与基底材料发生接触就可以完成整个制作过程，避免了喷头与基底可能存在的交叉污染和损坏，因此，液滴微喷射式微流控芯片制作方式具有广泛的材料适用性。
应用液滴微喷射技术制作PDMS微流控芯片阳模类似于三文打印技术，微喷嘴与二文工作台构成空间三个自由度的运动。
1.3 成型装置系统
目前可用于微喷射技术的成型装置系统的结构根据三个自由度的机械结构布局类型及其特点有以下几种[15]，如表1.1所示。