宽高比恒定的微结构的制备方法和PDMS弹性体与流程

本发明涉及微结构制备技术领域，特别涉及一种宽高比恒定的微结构的制备方法。同时，本发明也涉及一种具有由以上方法所制备的微结构的pdms弹性体。

背景技术：

微结构是尺度范围一般在微米量级的结构形式，其在微流体力学以及生物医药微流控方面有着广泛的应用。目前用于制备微结构的方法主要有硬质塑料和金属注塑模具加工工艺、干膜光刻加工工艺、光刻法加工聚二甲基硅氧烷(pdms)工艺、模塑法分层加工工艺、热压成型工艺，以及拉伸毛细玻璃管工艺、蚀刻加工无机材料工艺等多种方法。

现有的制备微结构的方法虽能实现微结构的制备，但其也存在制备工艺复杂，微结构加工耗时长，小批量试验产品制备成本高，难以加工弧形微结构，以及对于连续变化的宽度难以制备宽高比恒定的微通道结构等诸多不足。其中，以传统的用于微流控芯片的微通道结构为例，其截面即通常为矩形的，这在进行更复杂的微流体环境模拟时便有着一定的不足。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种宽高比恒定的微结构的制备方法，以可进行宽高比恒定的微结构的制备。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽高比恒定的微结构的制备方法，该方法包括如下的步骤：

a.将基底表面进行疏液修饰，使被修饰的基底表面具有疏液性；

b.在所述基底具有疏液性的表面涂抹一层光刻胶，并将光刻胶层加热固化；

c.通过掩模版使紫外光选择性照射所述基底具有光刻胶层的表面，再通过显影液溶解去除被紫外光照射区域的光刻胶，以将掩模版上微结构图案复制到所述光刻胶层上；

d.通过等离子刻蚀对复制有微结构图案的所述光刻胶层进行表面处理，再将所述基底表面的光刻胶去除，以在基底表面形成亲液性的微结构图案；

e.在亲液性的所述微结构图案中填充牺牲层液体；

f.将pdms的预聚物和固化剂按10：1质量比混合并搅拌均匀，去除气泡后倾倒在具有微结构图案的所述基体表面上；

g.在30℃条件下进行自然固化，再于55℃条件下加热使pdms完全固化，之后将pdms由基底上揭下，即在所述pdms上得到宽高比恒定的微结构。

进一步的，所述基底为硅片或玻璃片。

进一步的，步骤a中采用全氟辛基三乙氧基硅烷对所述基底表面进行疏液修饰。

进一步的，步骤b中的所述光刻胶为正性光刻胶，且步骤d中通过丙酮、无水乙醇去除所述基底表面的光刻胶。

进一步的，所述光刻胶采用az9260光刻胶，且步骤b中为在热板上150℃加热330s将光刻胶层加热固化。

进一步的，所述牺牲层液体为甘油。

进一步的，步骤e中通过旋涂法或涂布法将牺牲层液体填充于微结构图案中。

进一步的，步骤g中为在30℃条件下进行24h的自然固化，再于55℃条件下加热1h。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的制备方法利用亲疏表面的润湿性差异，可使牺牲层液体保留在形成的微结构图案中，且在表面张力和拉普拉斯力的作用下，在亲液的微结构图案内的牺牲层液体呈现出弧形横截面状态，且其高度随宽度连续变化，宽高比恒定，而在平铺一层pdms后，微结构图案内的液体表面张力也使得牺牲层液体能够保持在原有状态，且pdms固化后其形状可得以维持，从而由此便可在pdms上制备出宽高比恒定的微结构。

此外，本发明的制备方法仅通过基底表面微结构图案制备、填充牺牲层液体，以及pdms平铺固化即可完成制备，整体工艺简单，操作简便，而利于推广应用。

本发明的另一目的在于提出一种pdms弹性体，所述pdms弹性体上具有由上述的制备方法所制备的宽高比恒定的微结构，且所述微结构为微流道。

进一步的，所述pdms弹性体应用于微流体力学或生物体血管模拟。

本发明的pdms弹性体通过采用上述的制备方法形成微结构，可获得宽高比恒定的微流道结构，且流道横截面可近乎于弧形，能够适于柔性微流控芯片以及生物体模拟血管的制作，而有着很好的实用性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中基底表面制备微结构图案的过程示意图；

图2为本发明实施例制备的微结构的显微镜观察图像(俯视图)；

图3为本发明实施例制备的微结构的显微镜观察图像(横切图)；

图4.a为本发明实施例制备的微结构的宽度为399.66μm的微结构的显微镜观察图像；

图4.b为本发明实施例制备的微结构的宽度为312.04μmμm的微结构的显微镜观察图像；

图4.c为本发明实施例制备的微结构的宽度为238.21μm的微结构的显微镜观察图像；

图4.d为本发明实施例制备的微结构的宽度为119.13μm的微结构的显微镜观察图像；

图5为本发明实施例制备的不同尺度下微结构宽度与高度相对变化图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例首先涉及一种宽高比恒定的微结构的制备方法，该方法整体上为首先利用光刻法选择性曝光制备出表面具有微结构图案的基底，再于微结构图案中填充牺牲层液体，最后倾倒pdms并使pdms固化而得到宽高比恒定的微结构。

具体来说，其中结合于图1中所示的，对于具有微结构图案的基底的制备，首先采用全氟辛基三乙氧基硅烷对基底表面进行疏液修饰，使被修饰的基底表面具有疏液性，水溶液接触角可达108°。接着对经过疏液处理的基底表面进行光刻处理，具体为先在基底具有疏液性的表面涂抹一层正性光刻胶，并在热板上150℃加热330s将光刻胶层加热固化。然后通过掩模版使紫外光选择性照射基底具有光刻胶层的表面，使被紫外线照射区域的光刻胶发生化学反应，再通过显影液溶解去除被紫外光照射区域的光刻胶，由此便将掩模版上微结构图案复制到所述光刻胶层上。

接着，通过等离子刻蚀对复制有微结构图案的光刻胶层进行表面处理，再将基底表面的光刻胶去除，如此即在基底表面形成了亲液性的微结构图案，而完成光刻处理过程。

在以上基底制备过程中，需要说明的是所述基底优选的为采用硅片或玻璃片，而所采用的正性光刻胶例如可为az9260光刻胶，同时在等离子刻蚀处理后，具体可通过丙酮、无水乙醇去除基底表面的光刻胶。

在具有微结构图案的基底制备完成后，即在亲液性的微结构图案中填充牺牲层液体，此时本实施例的牺牲层液体例如可采用甘油，且在具体操作上一般可通过旋涂法或涂布法将牺牲层液体填充于微结构图案中。而其他类似甘油的液体，如果其适应本发明体系基底表面亲疏性质，并可同pdms预聚物相分离，同样也可以用作牺牲层液体。

其中，对于上述的旋涂法，操作过程一般是将基底放置于旋涂仪的支架上，打开真空泵，利用真空的吸力固定基底，然后设置相应的转速，在基底表面中央区域滴加1-2ml牺牲层液体，即开机进行旋涂。旋涂结束后，利用基底表面微结构图案的亲液性，以及其它区域疏液性的区别，便可将牺牲层液体填充于微结构图案内。

而对于涂布法，具体操作时以玻璃刷作为涂布工具，并将玻璃刷进行亲液处理。然后，在玻璃刷与基底表面之间添加牺牲层液体，由于毛细作用液体会填充在玻璃刷与基底之间，在外部机械力的作用下，拉动玻璃刷使液体在基底表面上移动，移动过程中同样利用基底表面微结构图案的亲液性，以及其它区域疏液性的区别，即可将牺牲层液体填充于微结构图案内。

在牺牲层液体填充完成后，再将pdms的预聚物和固化剂、也即一般所说的主剂和硬化剂按10：1质量比混合并搅拌均匀，抽真空去除气泡后，将pdms倾倒在具有微结构图案的所述基体表面上。然后在30℃条件下进行24h的自然固化，再于55℃烘箱内加热1h使pdms完全固化，之后将pdms由基底上揭下，便在pdms上得到了宽高比恒定的微结构。

本实施例的制备方法利用具有微结构图案的基底亲疏表面的润湿性差异，使得牺牲层液体保留在形成的微结构图案中，且在表面张力和拉普拉斯力的作用下，在亲液的微结构图案内的牺牲层液体呈现出弧形横截面状态，且其高度随宽度连续变化，宽高比恒定。而在平铺一层pdms后，微结构图案内的液体表面张力会使得牺牲层液体能够保持在原有状态，并且pdms固化后其形状可得以维持，因此即可在pdms上制备出宽高比恒定的微结构。

本实施例于pdms上制备的微结构的一种示例性结构如图2及图3中所示，此时该微结构具体为微流道结构，且其横切面表现为构造在pdms表面的弧形凹槽，其中该微流道结构的宽度即所述凹槽的槽口宽度，微流道的高度则指所述凹槽的深度。而通过图3也可以看出，制备的微流道结构的横切面近乎于弧形，这与目前通常为矩形的微流控芯片流道结构是根本不同的，而该弧形横切面的微流道结构，对于模拟更复杂的微流体环境有很好的帮助。

需要指出的是，针对于以上为弧形横切面的微流道结构，其弧形的宽高比可根据需要，通过对牺牲层液体的选择以及温度调节而进行调控。具体而言，不同的牺牲层液体具有不同的表面化学性质，在填充牺牲层液体方法相同的情况下，不同的牺牲层液体在表面张力和拉普拉斯力的作用下，会在基底上呈现不同的接触角，从而形成不同宽高比的弧形微流道结构。另外，虽然目前难以精确描述温度与表面/界面张力的关系，但可以确定的是随温度升高，分子间相互作用力减弱，表面/界面张力会下降。因此，改变牺牲层液体温度，也可以改变其液面的饱和蒸汽压和表面张力，进而形成不同宽高比的弧形微流道结构。

图4.a、图4.b、图4.c和图4.d为利用本实施例以上的制备方法所制备的不同尺度下微结构的显微图像，这些微结构仍为微流道结构，且通过图4.a、图4.b、图4.c和图4.d可以看出不同尺度下的微结构的高度随宽度的增加而增大。

通过统计不同宽度下微流道结构的高度，得到的微结构的宽高比变化图如图5中所示，图5中对多个数据点进行了线性拟合，其平均宽高比为7.58，宽高比方差约为0.090，可见微流道结构的宽高比近乎恒定。

此外，本实施例也进一步涉及有一种pdms弹性体，该pdms弹性体上具有由上述制备方法所制备的宽高比恒定的微结构，且所述微结构具体即为微流道。同时，本实施例的pdms弹性体则可应用于微流体力学或生物体血管模拟。

本实施例的pdms弹性体通过采用前述制备方法形成微结构，能够获得宽高比恒定的微流道结构，并且制备的流道横截面可近乎于弧形，能够适于柔性微流控芯片以及生物体模拟血管的制作，而有着很好的实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：该方法包括如下的步骤：

a.将基底表面进行疏液修饰，使被修饰的基底表面具有疏液性；

b.在所述基底具有疏液性的表面涂抹一层光刻胶，并将光刻胶层加热固化；

d.通过等离子刻蚀对复制有微结构图案的所述光刻胶层进行表面处理，再将所述基底表面的光刻胶去除，以在基底表面形成亲液性的微结构图案；

e.在亲液性的所述微结构图案中填充牺牲层液体；

f.将pdms的预聚物和固化剂按10：1质量比混合并搅拌均匀，去除气泡后倾倒在具有微结构图案的所述基体表面上；

g.在30℃条件下进行自然固化，再于55℃条件下加热使pdms完全固化，之后将pdms由基底上揭下，即在所述pdms上得到宽高比恒定的微结构。

2.根据权利要求1所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：所述基底为硅片或玻璃片。

3.根据权利要求1所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：步骤a中采用全氟辛基三乙氧基硅烷对所述基底表面进行疏液修饰。

4.根据权利要求1所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：步骤b中的所述光刻胶为正性光刻胶，且步骤d中通过丙酮、无水乙醇去除所述基底表面的光刻胶。

5.根据权利要求4所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：所述光刻胶采用az9260光刻胶，且步骤b中为在热板上150℃加热330s将光刻胶层加热固化。

6.根据权利要求1所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：所述牺牲层液体为甘油。

7.根据权利要求1所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：步骤e中通过旋涂法或涂布法将牺牲层液体填充于微结构图案中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的宽高比恒定的微结构的制备方法，其特征在于：步骤g中为在30℃条件下进行24h的自然固化，再于55℃条件下加热1h。

9.一种pdms弹性体，其特征在于：所述pdms弹性体上具有由权利要求1至8中任一项所述的制备方法所制备的宽高比恒定的微结构，且所述微结构为微流道。

10.根据权利要求9所述的pdms弹性体，其特征在于：所述pdms弹性体应用于微流体力学或生物体血管模拟。

技术总结

本发明提供了一种宽高比恒定的微结构的制备方法，该方法包括首先利用光刻法选择性曝光制备出表面具有微结构图案的基底，再于微结构图案中填充牺牲层液体，最后倾倒PDMS并固化后得到宽高比恒定的微结构。同时本发明也提供了一种具有由以上方法所制备的微结构的PDMS弹性体。本发明所述的制备方法可在PDMS上制备出宽高比恒定的微结构，且该制备方法仅通过基底表面微结构图案制备、填充牺牲层液体，以及PDMS平铺固化即可完成制备，整体工艺简单，操作简便，有利于推广应用。