（环境工程专业论文）弹性微阀组性能及其应用的研究.pdf

韭塞窑通盔坐亟堂僮盈塞虫塞煎墨 中文摘要 一体化微阀组可以作为一种非常有效的工具用于药物传输和高吞吐量筛分。 本文提出了一种低成本，易操作p h 值响应微阀组。为了证明其可行性，本文设计 并制作出二组微阀组、四组微阀组、八组微阀组，并对其性能进行测试。在证明 其可行性后，作为微阀组的应用之一，我们设计并制作出连接细胞培育室的十五 组微阀组。整个过程分为以下几个部分：模板的设计与制作、多组微阀组装置的 制作和多组微阀组装置的性能测试。 本文采用i n - s i t u 光聚合的方法制作微阀组，其主体结构为聚二甲基硅氧烷 ( p d m s ) ，p h 响应微球体作为激励元件。微阀组由厚度为8m i l l 的p d m s 为基层， 3 层薄p d m s 层( “洞层”h o l e 1 a y e r ，“隔膜层”- - - m e m b r a n e 1 a y e r 和“项层” - - u p p e r - l a y e r ) 依次叠加而成，手工将微球体植入“顶层”的微球体固定柱( e n t r a p p o s t ) ，并盏上盖片。单个微阀的间距为7 0 0 岫，微阀的开关由流过其的p h 缓冲 溶液控制。 制作好的微阀组通过一系列不同的实验对其进行测试，结果操作简单方便， 运行良好。阀门开启和关闭的时间分别为5 0s 和4 5s ，当入口压力为5k p a 时，检 测溶液的流速约为o 2 6 m y m i n , 且流速会随着溶液高度的改变而有所不同。检测溶 液的线性流动在装置内的流速范围比较广，且其入口压力可由2k 2 a 到3 0 k p a 。 以p d m s 为主体结构的p h 激励微阀组简单且其性能适合于可随意使用的芯片实 验室( 1 a b o n - a - c h i p ) ，而且该装置在控制过程中可以不需要任何的电子或机械元件 等外围设备。因此，在生物和医学上很多潜在的应用。 关键诃：微阀；微阀组；聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ；微球体；芯片实验室 分类号： j e 夏銮道太堂亟堂焦监塞丛5 墅坠盟 a b s t r a c t i n t e g r a t i v em i c r o v a l v ea r r a yi so n eo fu s e f u lt o o l sf o r t h ed r u gd i s c o v e r y , 1 1 i g h t h r o u g h p u ts c r e e n i n g i n t h i s p a p e r , al o w c o s t a n d e a s i l ym a n i p u l a t i v e p h - r e s p o n s i v em i c r o v a l v ea r r a y h a sb e e nd e v e l o p e d t op r o v et h ef e a s i b i l i t y , t h e d o u b l em i c r o - v a l v e sa r r a y , t h et e t r a dm i c r o - v a l v e sa r r a ya n dt h eo c t a dm i c r o v a l v e s a r r a yw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ep l a t f o r mo fa r r a y e dv a l v ew a sf a b r i c a t e db y u s i n gp o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ( p d m s ) a n dt h em i c r o s p h e r eu t i l i z e d a sa l la c t u a t i n g e l e m e n tw a sp r o d u c e dv i a “o nt h ef l y p h o t o p o l y m e r i z a t i o nm e t h o d t h em i c r o s p h e r e s w e r em a n u a l l yi n c o r p o r a t e di n t ot h ea r r a y e dp d m s p l a t f o r m t oc o n s t r u c tt h ep l a t f o r mo fv a l v ea r r a y s ，w es t a c k e d3t h i n ( t h i c k n e s s ：1 5 0p m ) ， p a t t e r n e dp d m sl a y e r s ( h o l e - l a y e r , m e m b r a n e l a y e r , a n du p p e r - l a y e r ) a n do n ep d m s b a s - r e l i e f p l a t e ( t h i c k n e s s ：a r o u n d8m m ) ，a n dt h et o pw a sc o v e r e dw i t ht h ec o v e rs l i p 。 t h ea c t u a t i n g p h - r e s p o n s i v em i c r o s p h e r e s ( d i a m e t e r ：a r o u n d1 4 0 肛m ) w e r e i n c o r p o r a t e di n t ot h em i c r o - v a l v eu n i t sa n dt h e ya r el o c a t e di nt h e7 0 0b mi n t e r v a l e a c hv a l v eu n i tw a sc o n t r o l l e dt ob eo p e n e da n db ec l o s e db yc h a n g i n gp hs o l u t i o n s p a s s i n gt h r o u g hi t t h eo p e r a t i o na n dt h ef u n c t i o no ft h ef a b r i c a t e dm i c r o v a l v ea r r a y s w e r ee v a l u a t e dt h r o u g ht h ed i v e r s ee x p e r i m e n t s t h ei n t e g r a t e ds y s t e mw a so p e r a t e d e x p e d i e n t l ya n df u n c t i o n e dw e l l t h ec l o s i n ga n do p e n i n gt i m e sw e r ea r o u n d5 0sa n d 4 5s ，r e s p e c t i v e l y s a m p l es o l u t i o n - f l o wr a t ei so 2 6m l m i nw h e nt h ep r e s s u r ei s5 0k p a o p e r a t e db yv a r y i n gt h eh e i g h to f w a t e rc o l u m n l i n e a rf l o wc o n t r o lw a sa c h i e v e do v e r aw i d er a n g eo fo p e r a t i n gf l o wr a t e s f u r t h e r m o r et h ef a b r i c a t i o n p r o c e s so f p h - r e s p o n s i v e - a c t u a t e dm i c r o v a l v ea r r a y su s i n gp d m si ss i m p l ea n di t sp e r f o r m a n c e i ss u i t a b l ef o rad i s p o s a b l el a b o n - a - c h i p t h e s es t i m u l i - r e s p o u s i v em i c r o v a l v e sd on o t u s ea n ye l e c t r i c a lo rm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ，a n dh a v em a n y p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：m i e r o v a l v e ：m i c r o v a l v ea r r a y ；p d m s ；p h - r e s p o n s i v em i c r o s p h e r e ； l a b o n a - c h i p c l a s s n o ： i 夏至通太堂堂僮监塞 塾进 致谢 本论文的工作是在徐宇工教授的悉心指导下完成的，徐宇工教授严谨的治学 态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来徐宇工老 师对我的关心和指导。 韩国高丽大学l e es a n g h o o n 教授悉心指导和资助下我们完成了实验室的科 研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向l e es a n g t t o o n 老师表示衷心的谢意。 北京交通大学外事处的朱衡军教授和韩国檀国大学安珍熙教授促成了这次 国际科研交流，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，韩国的p a r kj i y o u n g ，k i l nd u c k j o o n g ，k i m s u n r a k 以及国内王盟，张燎原，王灵芝等同学对我论文中的仪器和设备调制，试 剂的准备以及文章校对等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校和国外专心完成我的学 i 匕。 1引言 1 1 研究工作的背景及意义 本文的研究为中国北京交通大学与韩国檀国大学的交流合作项目。 微电子机械系统( m e m s ) 技术的发展令世人瞩目，不仅中国国内的许多高校和 科研院所对其进行研究，而且世界各国也对这一领域投入了大量的人力和物力。微 型流体分析系统作为m e m s 技术研究的一个主要方向，向人们展示了其广阔的市 场应用前景。 1 1 1m e m s 及微制造技术的发展 微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) 是指基于( 但不限于) i c 工艺设计并制造、可批量生产、集电子元件与机械器件于一体的微小系统 1 ，2 。 微流动系统是m e m s 的一个重要分支，是构成大多数微系统中感应元件和执行器 件的主要组成部分，他包括微传感器、微泵、微阀、微喷和微通道等。随着微加 工技术的愈益成熟，m e m s 及其他微制造技术显示出巨大的发展潜力。美国物理 学家r i c h a r drf e y n m a n 于1 9 5 9 年1 2 月2 9 日在加州理工学院举行的美国物理协 会的年度会议上发表了题目为t h e r e sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m 的演讲，并发表 在1 9 6 0 年2 月的c a l t e c h e n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e 上。其中描述道：“我将要介 绍的是另外一个方向，在这一方向可以进行微小的研究，但可以做很多事。这一 领域和其他的领域相比有很大的不同，不同点在于它无法给我们更多的基本物理， 但它更像圆体物理，可以发现在复杂情况下的奇怪现象；另外，最重要的一点是 由此产生许多技术应用。我要讲的问题就是在微小尺度下操作和控制物质。” 事实上，在f e y m n a n 演讲之前，科学家们已成功地研制出指甲盖大小的电机； 然而，f e y n m a n 认为，这些研究成果在小型化的道路上还很原始、粗糙，尚处于 幼年时期，他的结论是：“在这以后还有更加令人震惊的微小世界”，他设想可 以将整个2 4 卷大英百科全书写在针尖上，要做到这件事只需要将尺寸缩小1 挖5 0 0 0 即可。f e y n m a n 坚信存在微小化的可能性，因为在生物中有众多丰富的写信息微 小化的例子。“对于生物学家来说，在一个极其微小的空间可以携带巨量信息是一 个事实，我们要解决的问题是揭开在微小的细胞中一个复杂的生物体，就像我们 自己的全部信息是如何存储的。”人的细胞是活性的能够完成各种物质的制造、移 j e 立交通态堂亟堂僮迨塞 动和信息存储。基于这一点，他设想一种微小但可以活动的机器( 就是人们现在所 说的m e m s ) ，可以在量子尺度进行计算，排列单个原子，甚至有一天可以在人体 内不执行外科手术历史证实了。f e y n m a n 的远见卓识，纳米科技m e m s 及量子计 算和分子自组装等领域向人们展示了微小世界的巨大潜力。 从量的角度看，微小本身是一个很含混的概念。人们认为，最基本的一点是微技 术或者说m e m s 技术的最小实旖单位应该是微米，它与赢接操作原子或分子的纳 米技术显然是有区别的。m e m s 在欧洲被称为m i c r o s y s t e m 或m s t ；在亚洲部分 地区也有称之为m i e r o m a c h i n e 的，但在公开发行的文献或互联网上这些称谓均被 大家接受，其实质都是一件事情。小的概念与微是紧密相关的，但尺度上肯定是有 差别的，在微型化的道路上小型化必然是微的先驱，微与小的最终目的都是在满 足人类的物理分辨极限条件下使人类自身受益。不难想像，由m e m s 技术制作的 器件应该具有如下优点：( 1 ) 体积小、功能强，如美国能源部所属的桑迪亚国家实 验室开发的微型齿轮的轮齿只有一个红血球细胞那样大，如此小的部件运动起来 非常快，其体积、引力和惯性几乎不产生任何作用；( 2 ) 小两结实：( 3 ) 易于制造， 科学家可以轻而易举地在一块很小的硅片上制造数十万个微型部件。在进行适当 的改进后，以硅为基础材料的结构在制作工艺上与i c 工艺兼容，能大批量生产， 大幅度降低成本，从而可为仪器仪表实现集成化和智能化提供支持。王大珩先生 曾这样认为：“仪器仪表在微小化、集成化方面的发展是迅速和必然的，是仪器仪 表的共性问题，它的发展将会对2 1 世纪的仪器仪表产生极其深远的影响。” 1 1 2 m e m s 及微制造技术产品的市场前景 现在较为成功的m e m s 市场主要包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、喷 墨头以及硬盘驱动头，这些器件的绝大多数用户分布在( 喷墨头、硬盘驱动头) 和汽车( 压力传感器、加速度计、微陀螺仪) 领域。德国m i c r o p a r t s 公司的 r e i n e r w e e h s u n g 博士对全球微系统市场分析进行了分析，1 9 9 6 年约为1 3 0 亿美元， 1 9 9 7 年约为1 4 0 亿美元，1 9 9 8 年约为1 7 0 亿美元，1 9 9 9 年约为2 0 0 亿美元，2 0 0 0 年约为2 4 0 亿美元，2 0 0 1 年约为2 8 0 亿美元，2 0 0 2 年约为3 5 0 亿美元，2 0 0 3 年， 微小系统的市场约4 0 0 亿美元，其发展潜力和市场前景巨大。 全世界有6 0 0 多家企业、大学、研究机构目前正在从事m e m s m s t 的研究， 主要开发重点( 1 ) 生化m e m s 的开发，如药物开发，d n a 分析及化学；( 2 ) 成像领 域，如显示和光纤开关：( 3 ) m e m s m s t 开关和用于射频及自动测试仪器的继电 器。 我国从2 0 世纪9 0 年代初期开始m e m s 的研究工作，国家自然科学基金、攀 2 登计划、重点基础研究项目均对此进行了资助。最新的“8 6 3 ”计划对该领域投入 上亿元的资金，同时微型全分析系统也已列为国家自然科学基金重大项目。 1 1 3 微型流体分析系统 微流体芯片亦被称为微型全分析系统( m i c r ot 0 t a la n a l y s i ss y s t e m s ，p t a s ) 或芯 片实验室( l a b o n - c h i p ) ，它是基于m e m s 技术，通过分析化学、计算机、电子学、 材料科学、生物学及医学的交叉实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型 化、自动化、集成化和便携化。为了方便分类，当前国际学术界基本倾向于把芯 片型肛t a s 分为两类，即微流控( 体) 芯片( m i e r o f l u i d i ec h i p s ) 与微阵列芯片 ( m i c r o a r r a yc h i p s ，或称为生物芯片b i o c h i p s ) ；而事实上微流控芯片与生物芯片涉 及的是两个完全不同的学科技术领域，并且各自经历了独立的发展过程。因为生 物芯片的应用对象主要是d n a 分析，所以早期也称之为基因( d n a ) 芯片，其发展 契机主要来自于现代遗传学的一些重要发现，并直接受益于该领域的某些重要研 究成果，如在载体上固定寡核苷酸的基础上以杂交法测序的技术。这类芯片在前 几年发展较快，在国外已实现深度产业化；而微流体芯片则是在分析化学领域内 发展起来的，它以分析化学为基础，以微加工技术为依托，以微管道网络为结构 特征，以生命科学为目前主要应用对象，是当前“t a s 的发展重点。应该说m e m s 技术的飞速发展打开了人们的想像空阋，科学家正是在m e m s 技术的基础上设法 利用半导体工艺在玻璃、塑料或硅材料的表面上刻蚀出“微流体化学实验室”芯 片。借助这种芯片，科学家可以在很短的时间内，以高于现有任何方法的精度进 行生物化学分析。科学家无需再摆弄烧杯、试管、本生灯，而只要把少量样品注 入包含有微化学芯片的装置内，等几分钟即可在计算机显示屏上看到生化分析结 果。甚至有人设想，家庭化学实验室的实现也指日可待。 美国n a n o g a n 生物技术公司的研究人员认为，微化学芯片可以提高分析的精 度，因为传统的化学实验室是一个开放系统，对于一个复杂的分析流程，虽然某些 步骤可以实现自动化，但在若干环节上必须有人介入，通常需要将样品从一个容 器移入另一个容器。当样品移动时不仅会发生损失，而且开放系统还有产生污染 的危险；与此相反，如果将样品加入到微芯片中，那么分析工作就会完全在芯片 内进行。 最近的发展表明，2 0 世纪9 0 年代初由m a n z 等人提出的以多学科交叉为重要 特征的u t a s ，预计在未来l o 年内将对分析科学乃至整个科学技术的发展发挥类 似的作用。 该种微流体芯片不仅封装坚固、操作简便，且成本低廉，可广泛用于军事应 3 j e 塞窑适太堂亟堂焦论塞 用中，进行生物检测、毒物鉴定、d n a 分析、细胞分析、药物准备和药物输送。 m e m s 技术与生物和化学领域的接口是集成生物流体微控制芯片，这种芯片具有 自主重构和调节的反馈控制功能。集成微流体芯片可以控制物理和化学参数，在 芯片上可以同时进行多路分析。与这类由不同材料和不同加工方法得到的多功能 集成微流体元件( 结构、传感器和执行器) 相兼容的微制造技术正在开发中。m e m s 技术将用于制作带有可动态控制表面特性的传感器的集成微流体输运元件，并且 将开发芯片尺度器件中的“样品对结果”的完整解决方案。这些生物流体芯片能 够通过连续对战士体液取样的方法非常方便地监测其身体状况。最终，m e m s 技 术将诊断、快速检测和注射治疗药物集成于同一个芯片上。通过类似的技术可以 实现对微流体芯片的革新，将微流体芯片制成如手表一样的产品分配给每一个战 士。指挥官将可以实时监测进入战斗状态的军队从药物使用到生物试剂感染的全 部情况。这种芯片还能够用于战斗中的紧急治疗方案选择。在执行紧急战斗任务 时，也能够用m e m s 生物流体芯片以提高军队的战斗力。未来的军事演习将是从 “身体到硬件”的整个系统这样模拟可以反映真正的“战斗情景”。i - s 似r 公司曾 在市场上推出过一种手持式全化学分析系统。尽管在系统中只有生物传感器是由 硅制作的，但是这一系统向人们展示了基于硅传感和微机械技术的微化学分析系 统的巨大潜力。在宇航任务中，集成化学分析系统受尺寸和电源的限制，解决的 最好办法就是利用微系统技术。 目前微分析仪器的概念已经得到普及，将微电子技术移植到分析仪器的设计、 开发中，研发出尺度微小、可脱离传统实验室工作类型的完整新颖分析仪器是其 第一层含义。为适应现代化科技发展的需求，设计、开发出只需要微量( n 1 p d 样品 就可完成准确分析的检验要求、或可插入单个细胞、或可对基因进行分析检测的 分析仪器，是微分析仪器的另外一层含义。现代科技发展迫切需要具有这两种含 义的微小型分析仪器。市场前景宏大的家用、个人用分析仪器，也要求发展小型 化设计思想，设计开发出尺寸小、重量轻、需样量小，且无磨损( 无活动件) 、耐振 甚至零故障的新颖分析仪器。 基于以上论述，可以得出这样一些结论：m e m s 技术是一个多学科交叉的新 兴领域，有着巨大的发展潜力，而其发展潜力是基于这种新型的技术可以给人们 带来巨大的市场效益，这种市场效益的前景使得大量的资金、人力、物力等资源 投向了这一新兴领域，同时带动了与之相关的传统学科，为这些传统学科的发展 注入了活力。但事实上，从发展的角度看，m e m s 技术还有许多问题尚待解决， 甚至没有独立完整的理论体系，微小化所带来的尺度效应实际上早就存在于各个 传统学科自身发展的体系中，而其预期市场的发展也不会一帆风顺。 在微流体分析系统中，结构微小化后，在芯片内与样品的体积相比，反应室 4 室壁所占空间很大，因此室壁会对样品产生化学作用，芯片内的分子或生物细胞 过于频繁地与包容它们的材料相碰撞，就会发生不希望的化学反应。玻璃最不容 易与样品发生反应，但玻璃材料无法与微加工工艺兼容。塑料是一种廉价的材料， 适于制作一次性芯片，但它有较多的表面反应，也不像其他材料那样经久耐用。 硅材料比玻璃的散热性能好，克服了温度不稳定的缺点。温度起伏会将细胞推到 它们不应该去的地方。为了抑制硅的表面反应，研究人员已开发了多种减少反应 室室壁作用的方法。美国宾夕法尼亚大学医学院的p 怀尔丁采用二氧化硅来钝化 硅表面。怀尔丁已致力于化学芯片的研究达1 0 年之久，n a n o g e n 公司的科学家将 凝胶积在反应室室壁上，使硅材料不与样品直接接触。 综上所述，我们必须承认m e m s 的研究热潮有其历史及发展的必然性，而仍 需强调的是这并没有否认传统科学技术的重要性。传统科学技术还将继续发展， 只是其加速度不可能像从前那样大，但是作为微技术发展的基石，其作用是不可 替代的，m e m s 和其他微技术也不可能是脱离传统科技的空中楼阁，它必然是以 传统科技为基础，协同相关科技进行发展。显而易见，微技术的研究工作也应该是 在某一传统研究领域的基础上进行的，国外的成功经验无不显示其研究工作的针 对性及对市场的敏锐洞察力和预见力。 目前国内有很多单位从事m e m s 的研究工作。由于m e m s 是一个由微小化带 来的新概念，而其内涵却几乎可以覆盖所有的学科领域，所以大多数从事m e m s 研究的机构都是在自己原有的工作基础上进行微小化研究。国内在微流体领域的 研究单位主要有清华大学、北京大学微流和纳米技术研究中心、中国科学院长春 光学精密机械与物理研究所等单位。清华大学早已研发出了压电致动微型流体泵， 目前主要从事与生物医学生化分析等相关的微型流体分析系统方面的研究工作， 在微型流体混合、微型流体的光学探测方法以及微型流体的定量输运等方面均展 开了深入的研究。北京大学已经用有关技术方法复制了具有自清洁性、疏水性强 的荷叶结构，用微流体芯片分离出大肠杆菌，并实现了纳米金颗粒的制备和生物 分子检测 3 。 1 2 研究现状 阀门是实现流体控制的基本元件，是传统流动系统中不可缺少的部分。传统 的微型阀可以分为被动阀和主动阀两种 4 。传统的微型阀由于结构简单工艺比较 成熟，在此不作详细介绍。以下介绍的是四种结构或原理新颖的微型阀 5 。 5 j 塞窒逼盘坐亟堂僮j 金塞 1 2 1 高性能新型制止阀 由加州理工1 嘶等人先后研制了两种高性能新型制止微阀，其原理示意图如图 卜l 所示。前者为使用新型塑料聚对二甲苯制造的扭曲膜微型阁，此阀的顺流冲破 压力小于o 5k p a ，逆流的制止压力可达6 0 0k p a 以上，性能非常好。此阀的结构 简单，逆流压力达到2 0 7k p a 也不会出现可见的泄露现象，顺流方向上的冲破压力 小于6 1 9k p a ，此阀集成到流动系统中的情况如图卜2 所示，测试结果表明，此阀 几乎可以达到一个理想的运行状态。 图卜1 新型塑料扭曲膜微型阀的原理 1 2 2 静电驱动气体微阀 图l - 2 集成化的火箭芯片 图1 _ 3 所示为基于t a s i - n 膜上的静电驱动的气体微阀工作原理图，此微阀的 尺寸为3 4 0 4 0r t m ，其工作压力可达o 21 v j _ p a ，远远高于其它静电驱动的气体微 阀，有很好的应用前景。 6 图卜3 基于t a - s i - n 膜上的静电驱动的气体微阀工作原理 1 2 3 电流变流体微阀 在微尺度条件下的流动，粘性力起着越来越重要的作用。如图l 一4 所示，将e r 流体理想化为柱状的可极化分子模型。当在微通道中的流动无电场作用时，如图( a ) 所示，流体分子都有朝流动方向一致的趋势；当流场中作用一与流动垂直的电场 时，如图( b ) 所示，在极化的作用下，流体分子与流动方向垂直，从而导致流体的 粘性增大。这就是所谓的电流变现象。利用这种现象可以制成微阀。报道中这种 微阀的工作压力可达0 1 7m p a 。 1 3 研究方法 图1 4 使用电流变流体微阀的原理 试验研究方法与数值模拟方法是m e m s 研究中两种最基本的方法，它们可以 互补不足，但不可相互替代。 微米乃至纳米结构中流体的流动是微流体系统研究的基本问题。对这些问题 的深入研究和探讨离不开足够高空问分辨率和高精度的微流体实验技术的发展。 7 j e 瘟变通盔茔亟堂僮迨塞 然而，微流体的研究是一项很有挑战性的工作。这一方面是因为微流体流动的特 征尺度小，测量用的传感器要比被测量的微器件小，制作上很困难；另一方面是 由于微流动的动量和能量非常小，为使测量不会过大地干扰流动本身，传感器和 流动之间的动量和能量交换要求很小。而且，微流动实验的影响因素过多难于预 料，又缺乏有力的理论指导。这些原因使得微流体流动实验的难度很大，目前出 现了一些实验结果不一致的现象 6 。但在研究人员的不懈努力下，微流体实验技 术正在不断的进步，并取得了一些重要的成果。 目前，“智能”聚合体己经在应用于生物医学方面。这种材料能够对外界的刺 激( 温度、p a 值、光照、电场、化学药品和离子强度等) 做出反应，从而将相应 的能量转化为机械能 7 - 1 2 。人们广泛的用i n s i t u 光聚合的方法制作“刺激一响 应”传输系统 1 3 。该方法的优点：可以将光掩模高保真地复制到聚合物上；其缺 点：要求在微流体通道内构造小的驱动结构，从而使其结构复杂，制作费力，不适 用于大量制造。并且外接的驱动装置复杂不容易控制 1 4 。为了克服以上的缺点， 本文设计出了一种新型装置p h 激励微阀，将事先制备好的p h 值反应微球体( 直 径为1 5 0r t m ) ( 图1 - 5 ) 植入微流体结构中充当驱动装置，该方法操作简单，利于 大量制作。该微阀不需要外接额外的能量源，操作简便，并可实现高密度的微阀 排列。并为微量药物传输、细胞培养等方面提供一种制作容易，操作方便的工具。 图卜5( a ) 微球体电子显微镜扫描图( b ) 切开的微球体电子显微镜扫描幽 本文的研究为中国北京交通大学与韩国檀国大学的交流合作项目。在韩国l e e s a n g h o o n 教授的帮助和资助下，实验分别在韩国檀国大学医学院智能生物微机电 系统实验室( i n t e l l i g e n tb i o m e m sl a b ) 和韩国高丽大学医学院韩国人工器官中 心( k o r e aa r t i f i c i a lo r g a nc e n t e r ) 生物微机电系统实验室( i n t e l l i g e n tb i o m e m s l a b ) 完成。 1 4 主要研究内容 本文主要研究的是通过试验的方法设计和制作p h 激励弹性微阀组，并对其性 能进行测试，为数值模拟提供试验对比基础。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 利用a u t o c a d 软件，设计弹性微阀组模型； ( 2 ) 利用光聚合方面制作相应微阀组的硅晶片模具； ( 3 ) 制作p h 响应微球体，并测试其性质； ( 4 ) 制作弹性微阀组并测试其性能； ( 5 ) 将多组弹性微阀组应用于微量药物传输控制、细胞培养。 9 j e 立奎通太堂亟堂僮i 金童 2 微阀组激励研究 典型的微阀设计一般由以下四部分组成：微通道( m i c r o f a b r i c a t e dc h a n n e l s ) 、 阀( 门) 座( v a l v es e a t s ) 、隔膜( m e m b r a n e ) 、激励( a c t u a t o r ) 。因此激励是典型 微阀的重要组成部分 1 5 。 目前已经报导的激励有静电式、压电式、气动式、电磁式、石蜡相变式、电 泳式等等 1 6 2 1 。尽管这些激励方式有很多优点，但受制于医学领域，比如，可 植入式或便携式药物输送设各。因为为了将这些激励方式应用于人体时，额外的 外围设备( 比如：传感器和微处理器) 需要能够根据人体的要求来运行。最近国 外有关科研人员研制出了可以应用于生物和医学方面的“智能”聚合体。该聚合 体能够对外界的刺激( 温度、p h 值、光照、电场、化学药品、葡萄糖、抗原和离 子强度等) 作出反应，从而将化学能转变成机械能。为了制作激励一响应传输系 统，人们广泛的应用了i n - s i t u 光聚合方法。该方法可以将光掩膜的图案高保真的 复制到聚合体上，因此可以在微流体平台内创造功能成分( 激励成分) 。对于需要 在微通道内建立小的激励结构的过程，i n s i r e 光聚合方法要比传统的硅工艺技术简 单。尽管i n - s i r e 光聚合有很多优点，但其仍需要费力的技巧，比如，可聚合溶液 的注入、注入溶液达到均衡的等待、多层光掩膜图案的叠加和校正以及清除非聚 合单体等。因此，i n - s i t u 光聚合方法在快速、简单和大规模生产方面仍有局限性 1 4 。为了解决这些问题，我们设计出了一种p h 激励阀的新型制作方法：制造出 p h 响应微球体，并将其和预先用制作好的p d m s 微流体结构整合，制作出p h 响 应微阀。和传统的i n - s i t u 光聚合方法相比新的方法有两个有点：一是简化了微阀 结构，克服了复杂的制作过程；二是球型激励的使用其接触面更大，更有利于离 子扩散。 2 1 在微流体通道内水凝胶对流体的控制 作为激励的p h 响应微球体是由水凝胶形成的。水凝胶由各种高水份聚合体组 成，并且已经发展成能对多种不同的刺激做出响应。但是，由于缓慢的响应时间 使其在宏观系统中的应用受到阻碍。然而，化学驱动激励的本质是依靠短的扩散 路径来产生快速的响应 2 2 ，因此，可以期望将水凝胶体尺寸降到微观尺度从而 大大缩短响应时间。在微观尺度下，水凝胶能够通过自调节流控制从而提高微流 体系统的性能 1 3 。 1 0 2 筮阎组邀励班塞 传统的微激励( 比如，电磁激励、静电激励或热气作用) 在操作时需要外界能 量并且连接相关的复杂装配，这使其在实际系统的运用中受到限制2 3 ，2 4 t 。而“激 励一响应”水凝胶和传统微流体激励相比有着显著的优势，因为他能随着其周围环 境的变化而发生体积上的变化，并且不需要额外的能源。 p h 响应水凝胶体的制作 ( 1 ) 将光聚合液注入到微流体通道内。光聚合液的成分为：摩尔比为1 ：4 的丙烯 酸( a c r y l i ca c i d ) 和2 羟乙基甲基丙烯酸盐( 2 一h y d r o x y e t h y lm e t h a e r y l a t e ) 、质量比 为1 的e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e 和质量比为3 的光敏剂( p h o t o i n i t i a t o r ) ； ( 2 ) 待注入的光聚合液处于静止状态后，将光掩膜放在微通道顶部并使紫外线 通过光掩膜对光聚合液进行曝光。水凝胶聚合的时间根据不同的紫外光照强度、 光敏剂、混合单体而有所不同。如果用i r g a e u r e 6 5 1 做光敏剂并用来自标准荧光显 微镜的过滤光源，则曝光时间应少于2 0s ； ( 3 ) 当聚合结束后，将微通道用水冲洗以除去未聚合的液体。 这种方法可以使p n 响应水凝胶有着不同形状和尺寸，并且可以直接整合到微 流体系统中。 图2 - 1 为光掩膜的图案被高保真的复制到聚合体上。最小特征尺寸为2 5i x m ， 符合光掩膜的最小分辨率。聚合水凝胶与通道的顶部和底部相接触。继续移动光 掩膜或使用不同图案的光掩膜可得到不同形状的聚合水凝胶。此外，在统一通道 内可以制作不同化学成分的水凝胶。 图2 一l 制作方法示意图和不同形状聚合体图c 1 3 a 制作方法。b 聚合水凝胶证明可以非常复制出非常鲜明的直边。相应的光掩膜位于每幅 图的右上角。c 和d 说明凸起和凹入表面的产生。c 具有高纵横比特征的结构。光掩膜的不完 整性被复制到水凝胶上，进一步说明照相平版印刷过程的高保真性。多重结构在一次紫外 曝光中的同时聚合。比例：b _ _ e ，2 5 0 “m ；f 5 0 0p m j 立銮通盔堂亟堂僮论塞 2 2 p h 响应微球体的制作 p h 响应微球体的制作原理如图2 2 所示。将微玻璃管嵌入p d m s 主体中( 制 作过程如图2 3 ，毛细玻璃管( a l u m i n o s i l i c a t cg l a s s 1 7 1 4 ，c o m i n g ) 长为4c m ， 内外直径分别为0 5m m 和1m m 。将玻璃管两端固定在皮氏培养皿内的丙烯酸支 撑点( a c r y l i ca n c h o r ) 上，将以p d m s 预聚合物和凝固剂( s y l g a r d1 8 4s i l i c o n e e l a s t o m e r k i t ，d o wc o m i n g ，m i d l a n d ，m i ) 按1 0 ：1 混合后倒入皮氏培养皿，并放 到加热板上8 0 加热2h ，待冷却后将皮氏培养皿剥离，小心将玻璃管抽出，并 将带孔的p d m s 体切成合适的大小。利用鞘流( s h e a t h ) 对光聚合液的剪切力和表 面张力，从而在鞘流与光聚合液结合处使光聚合液形成小液滴，小液滴经强度为 3 0 0m w c m 2 紫外线( 3 6 5n l n ，n o v a c u r e 2 1 0 0 ，e x f op h o t o n i cs o l u t i o n sl n c ) 曝光 后凝固成微球体。我们利用高速照相机( a p x r s 2 5 0 k c ，p h o t r o n ) 测量微滴移动速度 和距离来估计聚合时间，并且估算聚合的时间为1 5 0m s e c 到2 0 0m s e c 。 图2 - 2 ( a ) p h 响应微球体制作系统示意图( b ) 在毛细管尖端处的微小液滴 1 2 2 徵阎塑邀励班塞 匡萝”c h o r g；鸢。”“。“ - f i x a t i o no fa c r y la n c h o r b o n d i n go fg l a s sp i p e t t eo n t h ea n c h o r - p o u r i n go fp d m sp r e p o l y m e r 一c u r i n go nt h eh o tp l a t e - t a k i n go u tc u r e dp d m s c u t t i n g - p u l l i n go u tt h ep i p e t t e c e n t e rh o l e 图2 1p d m s 体的制作过程。玻璃管用来塑造主流体通道。 2 3 p h 响应微球体的。性质研究 为了检查p h 响应微球体的体积变化，我4 r $ u 作了p d m s 微流体测试装置。 其原理图如图2 - 4 所示。该装置由三个入口，一个出口和一个微栅栏组成。微栅 栏起阻挡微球体的作用。中间为水的入口，用来清除通道内的残渣。另外两个入 口分别为酸性溶液入口和碱性溶液入口。用三台注射器泵将液体注入测试装置内， 在分别注入酸碱性溶液后，便可以定量地测量膨胀和缩小的程度。我们利用具有 抓拍功能的光学显微镜观察微球体根据p h 值变化而发生形态变化的过程。球体的 图片周期性的拍摄，用a u t o c a d 软件测量球体直径。我们可以计算出溶胀比 s w e l l i n gr a t i o s ，其公式如下： ，t ，l ，、 s w e l l i n g r a t i o ( ) = ! l 型1 0 0 ( 1 1 ) o 巧。( 脚3 ) 为微球体初始体积，k ( a n 3 ) 为p h 值改变后任何时刻的体积。 j 立交通盔堂亟堂焦i 金塞 图2 4p h 响应微球体膨胀缩小性能测试装置原理图 图卜5 为微球体的电子显微镜( s e m ( s 4 3 0 0 ，h i t a c h i ) ) 扫描图，由于是在水 溶液和不与水相溶的矿物油之间进行相分离的，因此每个微球体的表面都非常光 滑。表2 1 为鞘流流速改变后微球体直径发生变化的平均值。在l a p l a c e 压力与剪 切力平衡条件下，可以计算出微球体的尺寸。 ，旦( 1 2 ) ，7 占 r 为接触处形成液滴的半径，盯为水油界面张力，1 7 为连续相粘性，为剪切率。【】 表2 13 0 个微球体平均直径及其相应的鞘流变化 s a m p l ef l o w ( i t y m i n ) s h e a t hf l o w ( 1 f l m i n )m e a nd i a m e t e r ( i j t m )s t d 22 6 72 0 47 5 23 1 71 4 77 1 2 3 8 3 9 6 7 2 光聚合溶液成分为：8 5 w t 4 - h y d r o x y b u t y l a e r y l a t e ( 4 - h b a ) 、3 w t 2 , 2 - d i m e t h o x y - 2 - p h e n y l a c e t o p h e n o n e ( d 婵a ) 、1 w t e t h y l e n e g l y c o l d i m e t h a c r y l a t e ( e g d m a ) 和1 1w t a e r y l i c a c i d ( a a ) 。鞘流为非光聚合溶液矿物油，且两种 溶液不能互溶。通常，p h 响应水凝胶两种成分。一种是p h 敏感成分，能产生p h 敏 感性，通常为a c r y l i ca c i d ( a a ) ，m e t h a c r y l i ca c i d ( m 姓) ，2 - e t h y l a c r y l i ca c i d 或 s u l f o n a m i d e , 另一种为惰性p h 响应成分，其与水凝胶的机械性能有关。本实验中 我们采用丙烯酸a c r y l i ca c i d ( a a ) 作为p h 敏感材料，其体积的变化与a a 的浓度有 关。我改变从的浓度，分别使用o ，6 ，1 1 和2 2 的丙烯酸。当浓度为0 ， 6 ， 1 1 时，溶胀比s w e l l i n gr a t i o s 迅速增长，依次为0 ( ) ，2 0 0 ( ) 和3 1 0 ( ) 。 但随后增长放缓并达到饱和程度，当a a 浓度为2 2 时，溶胀比为3 2 0 ( ) 。我们按 表2 5 1 j 作了三种直径1 0 0 p , m 的微球体并测量了其溶胀比，如图2 5 。微球体仅从体 积变化来看，当a a 高于1 1 时毫无价值。因此我们选用1 1 的a a 作为光聚合溶液 成分之一。表2 2 为不同浓度的a a 及对应的其他成分。并且，我们利用f t i r 波谱 ( n i c o l e tm o d e lm a g m ai r5 5 0 ，n i e o l e ta n a l y t i e a li n s t r u m e n t s ) 分析聚合的微球体。 1 4 2 邀阎组邀励塑荭 表2 - 2 溶液编号，混合物及