聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新兴的智能功能

来源：发布时间：2025-06-13

概述

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流体芯片制造的常用聚合物，因其透明、生物相容、气体渗透、可变形、易粘合且便宜等特性成为理想材料，制造需经混合脱气、倒入模具、固化、打孔、等离子处理等步骤，但存在金属沉积困难、老化、自荧光、分子吸附及水蒸气渗透等挑战。如今，智能 PDMS 发展出自清洁（如涂层或微纳米结构化）、自我修复（高模量或静电纺丝）、自我报告（微胶囊嵌入或机械发光）等新兴功能，进一步拓展了其应用潜力。

一、PDMS 的基本概念与结构

1. 定义：聚二甲基硅氧烷（PDMS）是硅氧烷家族的矿物有机聚合物，分子式为 (C?H?OSi) N，常用于微流体芯片制造，也作为食品添加剂（E900）、抗泡沫剂等。

2. 化学结构：由硅氧键（Si-O）连接甲基侧链，形成柔性聚合物链，交联后成为疏水性弹性体，表面能低，易导致液滴珠状分布。

二、PDMS 微流体器件制造 **步骤

1. 混合脱气：PDMS 与固化剂混合后去除气泡。

2. 倒模：将混合物倒入母模（软光刻制备的负像模具）。

3. 固化：高温加热使 PDMS 硬化。

4. 打孔：在 PDMS 块上加工流体进出口，孔径略小于连接管。

5. 等离子键合：处理 PDMS 与玻璃表面，实现密封。

2. 模具优势：单个母模可重复使用，支持微流体芯片大规模生产。

三、PDMS 作为微流体材料的优势

四、PDMS 应用面临的挑战

1. 材料缺陷

1. 老化：机械性能随时间改变。

2. 自荧光：影响荧光检测实验。

3. 分子行为：吸附疏水分子，释放物质干扰实验，水蒸气渗透导致蒸发难控。

2. 工艺限制：金属和电介质难以直接沉积，需通过旋涂未固化 PDMS 层克服。

五、PDMS 的化学抗性数据（Sylgard 184）

六、PDMS 主要类型对比

· RTV-615：强度高，适合双层器件及微阀，但批次间粘合强度差异大，杂质较多。

· Sylgard 184：纯度高，常用于哺乳动物细胞培养，多层键合可靠性低。

七、智能 PDMS 的新兴功能

1. 自清洁功能

· 表面涂层：接枝 pH 敏感聚合物（GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），碱性条件下大肠杆菌附着量降低 98%。

· 微纳米结构化：超疏水 MNDS 膜，通过 DRIE 技术制备，无需表面活性剂。

2. 自我修复功能

· 高模量改性：引入?；被澹ˋSC）基团，保持透明性，提升刚度。

· 静电纺丝：201.2μm 厚薄膜，95 小时室温愈合 60%。

3. 自我报告功能

· 微胶囊嵌入：释放电荷转移前体，损伤时颜色转换，可复合自我修复剂。

· 机械荧光：MPS 官能化 PDMS，应力与荧光强度呈线性关系。

· 机械发光：掺入二氟龙染料，增强 MCL 强度，诊断热 / 机械损伤。

关键问题

1. 为什么 PDMS 适合用于微流体芯片制造？

答案：PDMS 因具备透明性（240nm-1100nm 波长透光）、生物相容性、气体渗透性（可平衡压力）、可变形性（集成微阀）、易粘合性（等离子处理后与玻璃 / PDMS 键合）及低成本等优势，成为微流体芯片制造的理想材料。其室温下可模具数小时，结构分辨率达纳米级，且单个模具可重复生产，支持大规模制造。

2. PDMS 在微流体应用中面临哪些主要挑战？

答案：PDMS 的主要挑战包括：金属 / 电介质沉积困难（需通过旋涂未固化层间接实现）；材料老化导致机械性能改变；自荧光特性干扰检测；疏水分子吸附和物质释放影响实验准确性；水蒸气渗透性使蒸发难以控制；对甲苯（增重 45.51%）、硫酸（增重 - 14%）等化学物质敏感。

3. 智能 PDMS 有哪些创新功能，如何实现？

答案：智能 PDMS 具备三大功能：

· 自清洁：通过表面接枝 pH 敏感聚合物（如 GMA-CO-SBMA-CO-DMAEMA），碱性条件下抑菌率达 98%；或制备微纳米结构化超疏水膜（MNDS），通过 DRIE 技术增强表面钝化。

· 自我修复：引入高模量 ASC 基团提升材料刚度，或通过静电纺丝制备厚膜（201.2μm），95 小时室温愈合 60%。

· 自我报告：嵌入微胶囊释放电荷转移前体（CTC），损伤时显色；或通过机械荧光基团（MPS）、机械发光染料（二氟龙 β- 二酮酸酯）实现应力 - 荧光 / 发光信号转化，可视化损伤程度。