微孔微流體裝置的制作方法

專利名稱：微孔微流體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有互連微孔結構的微流體裝置，具體地涉及至少部分由聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)形成的微流體裝置。
背景技術：
微流體是化學和生物應用中最快速發(fā)展的新興領域之一，對于鑒定用于微流體裝置的合適材料以及新功能屬性已經投入了巨大的努力。能結合入微流體裝置的一個誘人的特征是多孔隔膜或者微流體通道內或者之間的多孔區(qū)域或材料。此類多孔區(qū)域可允許氣體或者其他化學物質從一個微流體通道選擇性擴散到另一個微流體通道，并且具有各種潛在用途，包括化學和藥物應用中的多相催化反應。由于廣泛的用途和該領域的快速發(fā)展，對于快速制造低成本微流體裝置的需求不斷增加。自從90年代后期首次報道以來，通過軟性平版印刷制備的PDMS微流體裝置被廣泛地用于各種化學和生物應用。在微流體裝置中使用PDMS實現(xiàn)了簡單制備、快速原型化并降低了材料成本。迄今為止，還未公開具有微孔區(qū)域的PDMS微流體裝置。這可能是由于微孔PDMS傾向于不透光，這使得難以對裝置的微流體通道進行觀察。

發(fā)明內容
本發(fā)明揭示了具有微孔PDMS區(qū)域和能夠對通道進行觀察的透光部分的微流體裝置及其它內容。此類微流體裝置具有PDMS裝置的優(yōu)點(包括易于制造、快速原型化和材料成本的下降)以及微孔裝置的優(yōu)點，同時實現(xiàn)在裝置使用時對所希望的部分進行視覺觀察。此外，由于微孔PDMS的疏水特性，防止非氣體的水性液體通過微孔PDMS從一個微流體管道達到另一個微流體管道。從而可以有利地實現(xiàn)氣體的選擇性擴散。在本文所述的各種實施方式中，微流體裝置包含第一管道和第二管道；以及與所述第一和第二管道相連通的三維(3D)互聯(lián)微孔網(wǎng)絡。所述微孔網(wǎng)絡包含PDMS并防止水性流體通過該微孔網(wǎng)絡在所述第一和第二管道之間流動，但是(通過其互連微孔網(wǎng)絡)配置成允許氣體在所述第一和第二管道之間的擴散。在許多實施方式中，微流體裝置的制造方法包括將包含PDMS預聚物和成孔劑的組合物置于模具中。該模具配置成形成微流體裝置的第一部件。裝置的第一部件具有第一和第二通道。該方法還包括使模具中的組合物固化以形成第一部件。形成第一部件的材料包含散布有成孔劑的PDMS聚合物。該方法還包括從PDMS聚合物中去除成孔劑以產生包含多孔PDMS聚合物的多孔第一部件。此外，該方法還包括使多孔第一部件與第二部件密封，從而所述第二部件的表面與所述第一部件的第一和第二通道一起形成微流體裝置的第一和第二管道。在一些實施方式中，微流體裝置的制造方法包括將包含PDMS預聚物的組合物置于模具中。該模具配置成形成微流體裝置的第一部件。裝置的第一部件具有第一和第二通道。該方法還包括使模具中的組合物固化以形成第一部件。該方法還包括提供裝置的第二部件。所述第二部件含有具有互連微孔結構的PDMS。此外，該方法還包括使第一部件與第二部件密封，從而所述第二部件的表面與所述第一部件的第一和第二通道一起形成微流體裝置的第一和第二管道。相比于現(xiàn)有的微流體裝置和方法，本文所述的裝置和方法可提供一種或多種優(yōu)點。使用本文所述的方法，可以制造大范圍的孔徑并對將其調整到特定用途的所需范圍。此夕卜，通過在固化前在預聚物中使用不同尺寸的成孔劑，可以在單個裝置中制造具有不同孔徑的高度互連的微孔結構。另外，對于模塑3D互連微孔結構的物理尺寸基本沒有限制。另夕卜，可以制造3D構型的微孔微流體裝置。同樣，通過3D互連微孔結構的氣體傳輸效率是受控的，原因在于可以使用大范圍的孔徑來制造裝置。除此之外，可以使用簡單過程對裝置進行高效組裝。本領域的技術人員閱讀本文所述的本發(fā)明內容后，容易看出本文所述的設備和方法的各種實施方式的上述及其它優(yōu)點。附圖簡要說明

圖1是具有兩個部件的微流體裝置的示意性分解透視圖。圖2是圖1中的微流體裝置在組裝形式下的示意性透視圖。圖3是圖2中的微流體裝置的截面示意圖。圖4-6是微流體裝置的各個實施方式的截面示意圖。圖7-8是本文所述方法的實施方式的總體流程圖。圖9A是微結構模具圖，該微結構模具是由粘合到載玻片上的三層定制切割自粘性白色乙烯基板制造得到的。圖9B是使用圖9A所示模具制造的完全組裝的微孔PDMS微流體裝置。圖10A-D是由150微米-180微米糖顆粒制造的微孔PDMS結構的掃描電鏡的俯視圖(A和C)與截面圖(B和D)。圖C和D分別是圖A和B虛線區(qū)域的放大圖。圖11是由各種尺寸的預篩分糖顆粒制造的微孔PDMS基板上的水滴圖。圖12A-D是顯示通過CO2氣體實驗使水酸化的微流體裝置在0秒(A)、30秒(B)、50秒(C)以及I分30秒(D)時的圖像。圖13A-D是顯示通過CO2氣體實驗使水酸化的微流體裝置在0秒(A)、45秒(B)、I分30秒(C)以及4分30秒(D)時的圖像。本文所提供的示意圖不一定是按比例繪制的。圖中使用的相同附圖標記表示相同的部分、步驟等。但應理解，在特定的附圖中使用附圖標記表示一個部分并不會對另一附圖中用相同附圖標記標出的部分構成限制。此外，用不同的附圖標記表示各部分并不表明附圖標記不同的部分不能相同或相似。
具體實施例方式在以下詳述中，參照構成說明書的一部分的附圖，以示意性方式描述本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法的幾種具體實施方式
。應理解，可以在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可構思和實現(xiàn)其它的實施方式。因此，以下發(fā)明詳述不應理解為限制性的。除非另外說明，本文使用的所有科學和技術術語的含義是本領域通用的含義。本文提供的定義是用來幫助理解本文經常用到的某些術語，不對本發(fā)明的范圍構成限制。在本說明書和權利要求書中所用的單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”包括具有多個所指對象的實施方式，除非文中有明確的相反表示。如本說明書和所附權利要求書所用，“或”字通常在其包括“和/或”的含義上使用，除非文中有明確的相反表示。在本文中，“具有”、“含有”、“包括”、“包含”、“含”、“擁有”等在其開放含義上使用，
通常表示“包括但不限于”。應當理解，術語“由……組成”、“主要由……組成”涵蓋在術語“包含”的范圍之內。例如包含微孔PDMS聚合物的微流體裝置的部件可由微孔PDMS聚合物組成或者基本由微孔PDMS聚合物組成。當術語“基本由……組成”涉及組合物、制品、系統(tǒng)、設備或方法時，其表示所述組合物、制品、系統(tǒng)、設備或方法僅包括組合物、制品、系統(tǒng)、設備或方法的所述組分或步驟，以及可任選的不對組合物、制品、系統(tǒng)、設備或方法的基本性質和新穎性質造成實質影響的其他組分或步驟。本文提到的任何方向，如“頂部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“上方”、“下方”
及其它方向和取向，在本文中是用來清楚地描述附圖，而不是對實際的設備或系統(tǒng)或者所述設備或系統(tǒng)的使用構成限制。本文所述的設備或系統(tǒng)可以許多方向和取向使用。本文所用術語“互連微孔結構”指的是具有平均直徑大小小于1000微米的孔隙或者空隙的結構，其中所述孔隙 或者空隙互連使得流體(例如液體、氣體或蒸汽)可在所述孔隙或者空隙之間從結構的一個表面移動到達結構的另一個表面。應理解互連微孔結構可具有一些“死角”或“非出口 ”或者“孤立空穴”。本文所用術語“孔隙”指的是固體制品的表面和/或主體內的空腔或空穴，其中所述空腔或空穴具有至少一個位于制品表面的外部開口。本文所用術語“空隙”指的是固體聚合物中在制品表面沒有直接開口的空腔或空穴，即不是孔隙，但是通與過相鄰或靠近“孔隙”、“空隙”的連接或相連的方式(或其組合)，空隙可具有間接外部開口或者達到制品外表面的通路。本發(fā)明描述了至少一部分由微孔PDMS形成的微流體裝置等。微孔PDMS與裝置的第一和第二管道連通，并使得氣體和蒸汽等通過PDMS的互連微孔結構實現(xiàn)管道間的擴散。由于微孔PDMS的疏水特性，第一或第二管道中的水性液體不會通過微孔PMDS擴散到其他管道中。因此，所述微流體裝置可有利地用于需要在管道間產生氣體而非水性液體的相互作用或交換的情況。例如，微流體裝置可用于細胞培養(yǎng)，其中，互連微孔網(wǎng)絡提供了到達和離開細胞的二氧化碳和氧氣的快速交換；微流體裝置可作為多相反應(例如氣-液或氣-液-固反應)的微反應器；微流體裝置可用于樣品過濾、流體混合或者閥門等目的。在各個實施方式中，微流體裝置由兩個部件形成。例如并參見圖1-3，裝置10可以由頂部件200和底部件100形成。在圖1-3所示的裝置10中，底部件100由具有3D互連微孔網(wǎng)絡110的微孔PDMS形成。在底部件100中形成通道120A、120B，當完全組裝時，所述通道120AU20B與頂部件200的表面220 —起作用形成微流體裝置的流體管道250的一部分。
頂部件200可以是適合覆蓋第一部件的通道120A、120B以形成管道250的板、膜、蓋或者任意其他制品。頂部件200由透光材料形成并提供通向管道250的觀察窗口，否則的話由于互連微孔PDMS110的不透明性，所述管道250是不可見的。本文所用術語“透光”指的是可以清楚地看到位于透光制品后方的物品。任意合適的透光材料可用于形成提供了窗口的透光部件200。例如，部件可以由無機材料或者塑料或聚合物制造，所述無機材料例如玻璃，所述塑料或聚合物包括樹枝狀聚合物，如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(乙酸乙烯酯-馬來酸酐)、聚(二甲基硅氧烷)單甲基丙烯酸酯，環(huán)烯烴聚合物和共聚物，包括降冰片烯與乙烯的共聚物，碳氟聚合物，聚苯乙烯，聚丙烯，聚乙烯亞胺；共聚物如乙酸乙烯酯-馬來酸酐共聚物、苯乙烯-馬來酸酐共聚物，聚糖，聚糖肽，乙烯-丙烯酸共聚物，或者它們的衍生物等。在一些實施方式中，透明部件200是由非多孔或透明PDMS或者玻璃基材形成的。在圖1-3所示的實施方式中，頂部件200具有與底部件100相同或者基本相同的長度和寬度，并且兩個部件100、200是對準的。但是應理解，頂部件200 (或者不具有通道120的部件)的長度或寬度可以小于底部件100的長度或寬度，只要頂部件200覆蓋了通道120即可。頂部件具有貫穿其深度的開口 210，當完整組裝后，所述開口 210起了通往管道250的進口或出口的作用。因此，當組裝時，頂部件200和底部件100是對準的，從而開口210與通道120AU20B是對準的。當然，可以是底部件(或者具有通道的部件)中形成開口。取決于用于形成頂部件100或底部件200的材料，部件可以是自密封的。否則，部件100、200可以通過粘合等方式密封地結合?？衫帽谩⒆⑸淦骰蚱渌线m的注射或輸注裝置將流體引入與微流體裝置的管道相連的進口。本文所述的微流體裝置可容易地改造成適合與可得的自動流體輸送系統(tǒng)聯(lián)用。現(xiàn)具體參考圖3，流體管道120AU20B與微孔PDMS的互連微孔網(wǎng)絡110流體連通。因而，氣體和蒸汽等可以容易地通過微孔網(wǎng)絡從一個管道擴散到其他管道。由于微孔PDMS的疏水特性，水性液體不會通過微孔網(wǎng)絡110。通常，微孔PDMS的水接觸角大于或等于90度(例如，大于或等于100度、大于或等于110度等)，該疏水性足以防止水性液體通過孔隙。雖然可能，并且在一些情況下希望對微孔PDMS (例如通道120A、120B)的表面進行處理以增加親水性或可濕性，但是難以增加整個微孔網(wǎng)絡110的親水性。因此，可以制造具有更親水表面或管道的微流體裝置，同時保留微孔網(wǎng)絡的疏水特性，從而防止水性液體擴散通過網(wǎng)絡。應注意一些使表面更親水的處理如氧等離子體處理可能對PDMS不具有持續(xù)效果?，F(xiàn)參考圖4，顯示具有三個微流體管道250A、250B、250C的微流體裝置。應理解，微流體裝置可具有任何合適和所需數(shù)量的管道，通過該管道可以引入或回收流體(氣體或者液體等)。管道可以分別與進口或出口連通用于從管道引入或回收流體。如圖4所示，管道250A、250B、250C分別與微孔PDMS的互連微孔網(wǎng)絡110連接。從而氣體(而不是水性液體)可通過網(wǎng)絡110從一個管道達到另一個管道?，F(xiàn)參考圖5，微流體裝置包含第一微孔網(wǎng)絡110和第二微孔網(wǎng)絡300。微孔網(wǎng)絡110和300互連，并且是由PDMS形成的。第一網(wǎng)絡110與第二網(wǎng)絡300的平均孔徑或者孔隙密度不同，并允許氣體以不同的速率擴散通過網(wǎng)絡110和300。在所示實施方式中，第二微孔網(wǎng)絡300與第二管道250B和第三管道250C連通，而第一互連微孔網(wǎng)絡110與第一管道250A、第二管道250B以及第三管道250C連接。舉例來說，如果第二微孔網(wǎng)絡300配置成比第一網(wǎng)絡110更快速的氣體擴散(例如具有較大或較高的孔隙密度)，則第三管道250C與第二管道250B之間發(fā)生的氣體交換會比第一管道250A和第二管道250B或者第一管道250A和第三管道250C之間的氣體交換更快。雖然圖5所示的第二微孔網(wǎng)絡300起了側壁的作用并且設置在第二管道250B和第三管道250C之間，但是網(wǎng)絡300可以任意合適的方式與管道250B、250C連通。例如，網(wǎng)絡300可以作為管道250B、250C的底部或者部分側壁。在一些實施方式中，微孔網(wǎng)絡300一直延伸通過微孔網(wǎng)絡110。當然，可以任意合適的方式構建微流體裝置，以實現(xiàn)微流體管道之間不同的擴散速率，并且可以具有超過兩個不同的互連微孔網(wǎng)絡，并且可以具有無孔隙的PDMS以進一步降低所選定管道之間的擴散速率?，F(xiàn)參考圖6，可以由兩個PDMS部件100、200形成微流體裝置，其中在無多孔PDMS部件200中形成通道。由通道產生的管道250A、250B與微孔PDMS部件的微孔網(wǎng)絡110連通，所述微孔PDMS部件起了管道250A、250B的頂壁或底壁的作用?？赏ㄟ^任何合適的技術制備本文所述的微流體裝置?？赏ㄟ^任意合適的方法使PDMS微孔化。例如，可用CO2擠出或模塑PDMS，可在擠出或模塑之前使PDMS起泡，或者可引入成孔劑然后去除成孔劑使PDMS微孔化。如果采用了成孔劑，則成孔劑可與PDMS預聚物，例如Sylgard 184 (美國密歇根州米德蘭市道康寧公司(Dow Corning Corporation,Midland, MI, USA))和GE RTV 615 A+B成套用品(美國紐約州沃特福德市G.e.硅酮公司(G.e.Waterford, NY, USA)),摻混或者任意其他方式混合。所述成孔劑的非限制性例子包括鹽，例如碳酸氫鈉、明膠珠、糖晶體以及聚合微粒等?？梢栽诠袒蚬潭ㄖ笆挂环N或多種成孔劑與預聚物或聚合物結合。然后使聚合物固化或固定，并可用適當?shù)娜軇┹腿〕煽RU。在各種實施方式中，成孔劑的平均直徑大小約為10-1000微米，約為50-1000微米或者約為100-1000微米?？赏ㄟ^所用成孔劑的尺寸和濃度、氣體或泡沫的混合程度等，對PDMS材料的孔隙尺寸和孔隙度進行控制。因此，由于孔徑和孔隙度會擴散速率相關，所以可以通過改變形成孔隙時的條件來控制給定氣體擴散通過微孔PDMS的速率。在許多實施方式中，使用母模例如硅母模來模塑多孔PDMS部件。母?？赏ㄟ^近紫外光刻法用硅制造。例如，可用旋涂器將一薄層光刻膠(一種對紫外光敏感的有機聚合物)旋涂到硅晶片上。光刻膠的厚度取決于旋涂的速度和持續(xù)時間。在通過軟烘晶片除去一些溶劑后，可使光刻膠通過光掩模受紫外光作用。掩模的功能是使光通過某些區(qū)域而阻止光通過其它區(qū)域，從而將光掩模的圖案轉移到下面的光刻膠上。然后用顯影劑洗去可溶的光刻膠，在硅上留下交聯(lián)光刻膠的保護性圖案。此時，通常將光刻膠保持在晶片上，用作形貌模板(topographic template),用來模制印模(stamp)?；蛘?可蝕刻娃上未受保護的區(qū)域，然后剝離光刻膠，留下圖案化硅晶片，得到更穩(wěn)定的模板。如果需要高分辨率的母模，則可以采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)上的電子束光刻技術。模板也可通過微機械加工生產，或者可通過例如衍射光柵預先制造。為了能夠使母體簡單脫模，可在含例如OTS (十八烷基三氯硅烷)或氟硅烷的液相中，利用硅烷化進行抗黏處理。顯影之后，可用氟硅烷對晶片進行蒸氣涂底，以利于后面除去凸起陣列?？捎玫姆柰榈睦影ǖ幌抻冢?十三氟_1，1，2，2-四氫辛基)三甲氧基娃燒和(十二氟_1，I, 2, 2-四氫羊基)二乙氧基娃燒。在一些實施方式中，可利用熱壓印法或注射成型法形成所得聚合物。但是，硅母體在用于這種工藝的條件下可能無法保持得很好。在這種情況下，可制備反向硅母體，然后可在反向母體上沉積金屬如鎳，形成用于這種工藝的金屬母體。在一些實施方式中，可采用性平版印刷并可通過任意合適的技術來產生模具，例如P.K.Yuer^PV.N.Goral在“使用臺式數(shù)字工藝切割機對撓性微流體裝置進行低成本的快速原型化，’(Low-cost rapid prototyping of flexible microfluidic devices usinga desktop digital craft cutter), Lab on a Chip, 2010, 10, 384-387,中所述的技術，其中采用了數(shù)字臺式切割機使膜具有圖案化結構。無論采用何種技術，模具應具有足夠的分辨率，允許產生用于形成裝置管道的通道。在許多實施方式中，通道和所得管道的寬度大于或等于0.1mm，因此幾乎任何技術都應該是適用的。如果裝置是雙部件裝置或更多部件裝置，則可以由能夠密封或者與微孔PDMS部件密封的任意合適材料來制造透光部件(例如圖1-5中的頂部件200)。PDMS部件能夠容易地與由許多材料(例如玻璃)制造的部件或者其他PDMS部件發(fā)生自密封，特別是當要密封的表面經過氧等離子體處理時。否則，部件可以通過粘合等方式密封地結合。在采用超過一個微孔PDMS網(wǎng)絡的實施方式中(參見例如圖5中的物品300和110)，可以獨立地制造微孔網(wǎng)絡(例如110和300)，然后使用氧等離子體處理將它們結合在一起。在此情況下，會在網(wǎng)絡110和網(wǎng)絡300之間實現(xiàn)良好限定的界面。在模塑期間還有一個其他方法，首先加入用于網(wǎng)絡300的預聚物和成孔劑，然后向模具的剩余部分以及所述用于網(wǎng)絡300的預聚物和成孔劑的頂上加入用于網(wǎng)絡110的預聚物和成孔劑。然后預聚物固化并去除成孔劑 。當然，可以使用任意其他合適的技術或方法來制造具有不止一個PDMS微孔網(wǎng)絡的裝置。雖然任何合適的技術或方法可用于形成微流體裝置或其部件，圖7-8顯示了可用的總體方法的代表性例子。出于方便和清楚的目的，下面參考圖7-8的方法描述圖1-3中標出的部件和特征?，F(xiàn)參見圖7，將包含PDMS預聚物和成孔劑的組合物置于模具中(700)。模具配置成形成裝置10的第一部件100，使得所述第一部件100包含第一和第二通道120。組合物在模具中固化(710)，形成具有微孔PDMS聚合物和散布其中的成孔劑的模塑第一部件100。從模具中取出第一部件100 (720)，并通過例如使成孔劑接觸合適的溶劑來去除成孔劑(730)。當然可用在從模具取出部件之前從模塑的第一部件中去除成孔劑?，F(xiàn)參考圖8，顯示對微流體裝置的兩個部件進行密封的總體方法。該方法包括提供第一部件100和第二部件200。本文所用術語“提供”，當其涉及方法時，表示制造、購買或其其他方式獲得。第一 PDMS部件100的表面經過氧等離子體處理(800)，通過自密封使第一部件與第二部件200密封，前提是第二部件200能夠與PDMS第一部件100自密封。當然在一些情況下，可用對第二部件200的表面進行氧等離子體處理以促進與第一 PDMS部件100的自密封。
本文所述的微流體裝置可用于任意合適的用途。例如，微流體裝置可有利地用于需要在管道間產生氣體而非水性液體的相互作用或交換的情況。例如，微流體裝置可用于細胞培養(yǎng)，其中互連微孔網(wǎng)絡提供了到達和離開細胞的二氧化碳和氧氣的快速交換?？梢詫⒓毎图毎囵B(yǎng)介質引入一個管道，同時將包含氧氣的氣體組合物引入另一個管道。又例如，微流體裝置可用于液-氣反應，其中將液態(tài)反應物引入一個管道并將氣態(tài)反應物引入另一個管道。當然，本文所述的微流體裝置可用于樣品過濾、流體混合或者閥門等目的。在各個方面，本文描述了方法和裝置。在第一方面，微流體裝置包含(i)第一管道；(ii)第二管道；以及(iii)與所述第一和第二管道連通并且配置成允許氣體在所述第一和第二管道之間擴散的第一互連微孔網(wǎng)絡。微孔網(wǎng)絡包含PDMS，并防止水性液體通過該微孔網(wǎng)絡在第一和第二管道之間流動。第二方面是根據(jù)第一方面的裝置，其中所述互連微孔網(wǎng)絡的水接觸角大于或等于90度。第三方面是根據(jù)前兩個方面中任一方面的裝置，其中，所述互連微孔網(wǎng)絡包含由平均粒徑在10-1000微米之間的成孔劑形成的孔隙。第四方面是根據(jù)前述方面中任一方面的裝置，其中所述第一和第二管道的至少一部分是由形成所述互連微孔網(wǎng)絡的材料形成的。第五方面是根據(jù)前述方面中任一方面的裝置，其中所述第一和第二管道的寬度大于或等于0.1毫米。第六方面是根據(jù)前述方面中任一方面的微流體裝置，該微流體裝置還包含:(i)第三管道；以及(ii)與所述第二和第三管道連通并且配置成允許氣體在所述第二和第三管道之間擴散的第二互連微孔網(wǎng)絡，其中所述第二互連微孔網(wǎng)絡包含PDMS并防止水性流體通過該第二微孔網(wǎng)絡在所述第二和第三管道之間流動，第一和第二互連多孔網(wǎng)絡的平均孔徑是不同的。第七方面是根據(jù)前述方面中任一方面的裝置，其中所述第一管道的至少一部分是由透光非多孔材料形成的。第八方面是根據(jù)前述方面中任一方面的微流體裝置，其中所述裝置包含:(i)包含第一互連微孔網(wǎng)絡的第一部件；以及(ii)透光第二部件，其中，所述第一和第二部件一
起形成第一和第二管道。第九方面是根據(jù)第八方面的微流體裝置，其中，所述第一部件限定了第一和第二通道，第二部件的表面以及第一和第二通道一起形成了第一和第二管道。第十方面是根據(jù)第八或第九方面的微流體裝置，其中所述第二部件是膜。第十一方面是根據(jù)第八或第九方面的微流體裝置，其中所述第二部件是由非多孔PDMS形成的。第十二方面是用于培養(yǎng)細胞的方法，該方法包括:(i)將細胞插入根據(jù)前述1-11方面的任一種微流體裝置的第一管道；(ii)將細胞培養(yǎng)介質引入第一管道與細胞接觸；以及(iii)使包含氧氣的氣體組合物流過微流體裝置的第二管道。第十三方面是使氣態(tài)反應物與水性反應物反應的方法，該方法包括:(i)將包含水性反應物的組合物插入根據(jù)前述1-11方面的任一種微流體裝置的第一管道；(ii)將氣態(tài)反應物引入該微流體裝置的第二管道；以及(iii)允許氣態(tài)反應物通過第一互連微孔網(wǎng)絡從第二管道擴散到第一管道，與水性反應物接觸。第十四方面是一種制造微流體裝置的方法，該方法包括:(i)將組合物置于模具中，所述組合物包含PDMS預聚物和成孔劑，所述模具配置成形成微流體裝置的第一部件，該部件具有第一和第二通道；(ii)使組合物在模具中固化形成第一部件，其中，形成第一部件的材料包含散布有成孔劑的PDMS聚合物；(iii)從PDMS聚合物中去除成孔劑以產生包含多孔PDMS聚合物的多孔第一部件；以及(iv)使多孔第一部件與第二部件密封，從而使得第二部件的表面與第一部件的第一和第二通道一起形成微流體裝置的第一和第二管道。第十五方面是根據(jù)第十四方面的一種方法，其中所述成孔劑的平均粒徑在10-1000微米之間。第十六方面是根據(jù)第十四或者第十五方面的一種方法，其中所述第二部件包含透光部分，該透光部分配置成與第一通道對準從而能夠看到第一管道。第十七方面是根據(jù)第十六方面的方法，其中所述第二部件是膜。第十八方面是根據(jù)第十六方面的方法，其中所述第二部件是由非多孔PDMS形成的。第十九方面是根據(jù)14-18方面的任意一種方法，其中，多孔第一部件的表面在與第二部件密封前經過氧等離子體處理。第二十方面是微流體裝置的制備方法，該方法包括:(i)將組合物置于模具中，所述組合物包含PDMS預聚物，所述模具配置成形成微流體裝置的第一部件，該部件具有第一和第二通道；(ii)使組合物在模具中固化以形成第一部件；(iii)提供裝置的第二部件，所述第二部件包含具有互連微孔結構的PDMS ;以及(iv)使第一部件與第二部件密封，從而第二部件的表面與第一部件的第一和第二通道一起形成了微流體裝置的第一和第二管道。下面給出了非限制實施例，它們描述了以上討論的制品和方法的各種實施方式。實施例實施例1:裝置的設計、制造和組裝3D互連微孔PDMS微流體裝置被開發(fā)用于展示此類裝置在氣體吸收反應中的潛在應用。該裝置包含被Imm寬的圓壁分隔開的直徑為9.4mm的內圓室和2mm寬的外圓室。使用軟性平版印刷來制造微孔PDMS微流體裝置。簡單地說，通過將三塊厚度為90 y m的定制切割自粘性白色乙烯基板(物品編號#699009 ;The Paper Studio⑩，Oklahoma City, OK,
USA(紙f:作美國俄克拉何馬州俄克拉何馬城))堆疊到載玻片上來制造微結構模具(圖9)。將混合有經過預篩選的糖顆粒(1:2.5 v/v %)的PDMS預聚物(10:1 w/w)(Sylgard 184,美國密歇根州米德蘭市道康寧公司(Dow Corning Corporation, Midland, MI, USA))澆鑄到模具上，厚度為2 mm,在60oC固化過夜。小心地剝離厚度為2mm的微結構化PDMS復制件。然后，通過在20%乙醇溶液的超聲清潔器(型號FS220H ;美國賓夕法尼亞州匹茲堡市費舍爾科學公司(Fisher Scientific, Pittsburgh, PA, USA))中浸泡并清洗至少3小時,之后空氣干燥或者在60oC的烘箱中干燥，使所述微結構化PDMS復制件中的糖顆粒溶解并洗去。去除糖顆粒之后，在微結構化PDMS復制件中形成3D互連微孔結構(圖10)。接著，對所述微結構化PDMS復制件和厚度為2mm的非多孔PDMS復制件(它的制備不含任意糖顆粒，具有進口和出口)在60W的RF等離子體室(型號MPS-300 ;美國加利福尼亞州康科德市三月儀器有限公司(March Instruments, Inc., Concord, CA, USA))中進行30秒氧等離子體處理，之后將它們對準，組裝在一起，并在60oC孵育過夜。孵育過夜之后，兩件復制件不可逆地結合在一起(圖9B)。雖然氧等離子體處理可以改變PDMS表面的可濕性，但是PDMS表面快速回到其疏水特性。使用非多孔PDMS復制件是為了便于可視化。如果需要的話，微孔PDMS復制件可用于封裝微結構化的微孔PDMS復制件，從而可由微孔PDMS制造整個裝置。同樣地，可以通過重復上述步驟來制造3D構型的微孔PDMS微流體裝置。為了證實孔徑的可調節(jié)性以及微孔PDMS表面的可濕性，使用范圍為75-1000 iim的經過預篩選的顆粒來制造各種微孔PDMS結構(圖11)。經由水滴測試的可濕性研究顯示在所有微孔PDMS結構的表面上展現(xiàn)出疏水特性，所述所有微孔PDMS結構經測試形成近球形水滴。因此，可以通過使用不同尺寸的經過篩選的糖顆粒來制造具有可調節(jié)孔隙率的3D互連微孔PDMS微流體裝置。每個樣品使用至少六個位置的平均值來確定所得到的微孔PDMS的水接觸角。結果見下表I。表1:多孔PDMS的水接觸角
權利要求
1.一種微流體裝置，其包括: 第一管道； 第二管道；以及 與所述第一和第二管道連通并且配置成允許氣體在所述第一和第二管道之間擴散的第一互連微孔網(wǎng)絡； 其中，所述微孔網(wǎng)絡包含聚(二甲基硅氧烷)(PDMS )，并防止水性液體通過該微孔網(wǎng)絡在第一和第二管道之間流動。
2.如權利要求1所述的微流體裝置，其特征在于，所述互連微孔網(wǎng)絡的水接觸角大于或等于90度。
3.如權利要求1或2所述的微流體裝置，其特征在于，所述互連微孔網(wǎng)絡包含由平均粒徑在10-1000微米之間的成孔劑形成的孔隙。
4.如前述任一項權利要求所述的微流體裝置，其特征在于，所述第一和第二管道的至少一部分是由形成所述互連微孔網(wǎng)絡的材料形成的。
5.如前述任一項權利要求所述的微流體裝置，其特征在于，所述第一和第二管道的寬度大于或等于0.1毫米。
6.如前述任一項權利要求所述的微流體裝置，其特征在于，該裝置還包含: 第三管道；以及 與所述第二和第三管道連通并且配置成允許氣體在所述第二和第三管道之間擴散的第二互連微孔網(wǎng)絡，其中所述第二互連微孔網(wǎng)絡包含PDMS并防止水性流體通過該第二微孔網(wǎng)絡在所述第二和第三管道之間流動， 其中，所述第一和第二互連多孔網(wǎng)絡的平均孔徑是不同的。
7.如前述任一項權利要求所述的微流體裝置，其特征在于，所述第一管道的至少一部分是由透光非多孔材料形成的。
8.如前述任一項權利要求所述的微流體裝置，其特征在于，該裝置還包含: 包含所述第一互連微孔網(wǎng)絡的第一部件；以及 透光第二部件， 其中所述第一和第二部件一起形成第一和第二管道。
9.如權利要求8所述的微流體裝置，其中，所述第一部件限定了第一和第二通道，并且第二部件的表面與第一和第二通道一起形成了第一和第二管道。
10.如權利要求8或9所述的微流體裝置，其特征在于，所述第二部件是膜。
11.如權利要求8或9所述的微流體裝置，其特征在于，所述第二部件是由非多孔PDMS或者玻璃形成的。
12.—種用來培養(yǎng)細胞的方法，該方法包括: 將細胞插入如前述權利要求1-11中任一種所述的微流體裝置的第一管道中； 將細胞培養(yǎng)介質引入第一管道與細胞接觸；以及 使包含氧氣的氣體組合物流過微流體裝置的第二管道。
13.一種使氣態(tài)反應物與水性反應物反應的方法，該方法包括: 將包含水性反應物的組合物插入如前述權利要求1-11中任一種所述的微流體裝置的第一管道中；以及將氣態(tài)反應物引入該微流體裝置的第二管道；以及 允許氣態(tài)反應物通過第一互連微孔網(wǎng)絡從第二管道擴散到第一管道，與水性反應物接觸。
14.一種用于制造微流體裝置的方法，該方法包括: 將組合物置于模具中，所述組合物包含PDMS預聚物和成孔劑，所述模具配置成形成微流體裝置的第一部件，該部件具有第一和第二通道； 使組合物在模具中固化形成第一部件，其中形成第一部件的材料包含散布有成孔劑的PDMS聚合物； 從PDMS聚合物中去除成孔劑以產生包含微孔PDMS聚合物的多孔第一部件；以及使多孔第一部件與第二部件密封，從而所述第二部件的表面與所述第一部件的第一和第二通道一起形成微流體裝置的第一和第二管道。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述成孔劑的平均粒徑在10-1000微米之間。
16.如權利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述第二部件包含透光部分，該透光部分配置成與第一通道對準從而能夠看到第一管道。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二部件是膜。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二部件是由非多孔PDMS或者玻璃形成的。
19.如權利要求14-18中任一項所述的方法，其特征在于，所述微孔第一部件的表面在與第二部件密封前經過氧等離子體處理。
20.一種用于制造微流體裝置的方法，該方法包括: 將組合物置于模具中，所述組合物包含PDMS預聚物，所述模具配置成形成微流體裝置的第一部件，該部件具有第一和第二通道； 使組合物在模具中固化以形成第一部件； 提供裝置的第二部件，所述第二部件包含具有互連微孔結構的PDMS ;以及使第一部件與第二部件密封，從而所述第二部件的表面與所述第一部件的第一和第二通道一起形成微流體裝置的第一和第二管道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流體裝置，其包含(i)第一管道；(ii)第二管道；以及(iii)與所述第一和第二管道連通并且配置成允許氣體在所述第一和第二管道之間擴散的第一互連微孔網(wǎng)絡。微孔網(wǎng)絡包含聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)，并防止水性液體通過該微孔網(wǎng)絡在第一和第二管道之間流動。
文檔編號B01L3/00GK103118784SQ201180045947
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2010年9月22日
發(fā)明者K·A·芬克, V·N·戈拉爾, 蘇慧, 阮寶祺 申請人:康寧股份有限公司