聚二甲基硅氧烷(PDMS)特性和新兴的智能功能

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

1. 核心步骤
• 混合脱气：PDMS 与固化剂混合后去除气泡。
• 倒模：将混合物倒入母模（软光刻制备的负像模具）。
• 固化：高温加热使 PDMS 硬化。
• 打孔：在 PDMS 块上加工流体进出口，孔径略小于连接管。
• 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
• 老化：机械性能随时间改变。
• 自荧光：影响荧光检测实验。
• 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：引入酰基氨基脲（ASC）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。

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