微流控芯片—常见制作方法专题

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微流控芯片—常见制作方法专题
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原创：逸芯生命科学
微流控技术通过操控微米级通道内的流体，实现了高通量、高灵敏度的分析检测，在生物医学、化学合成及环境监测等领域展现出巨大潜力。芯片材料作为微流控技术的核心载体，直接影响其功能实现、成本控制和规模化生产。本文系统梳理了微流控芯片的常见制作方法，重点分析各类材料的制备工艺、技术特点及适用场景，为科研工作者和工程师提供技术选型参考。
1无机材料：玻璃与硅
1.1制作方法
· 湿法刻蚀：
利用氢氟酸（HF）腐蚀玻璃或硅片，通过光刻胶掩模形成微通道。玻璃刻蚀后侧壁呈圆弧形，而硅片因晶体结构特性可形成垂直侧壁（图1A）。
· 熔融键合：
将刻蚀后的玻璃片高温键合，形成密封通道。该方法需超高洁净环境，但密封性强。
· 激光直写（LDW）：
通过紫外激光直接烧蚀玻璃表面，无需掩模，但加工速度慢、成本高。
1.2优势与局限
· 优势：
化学惰性强，耐高温、耐有机溶剂，适用于毛细管电泳（CE）、高温反应（图1C）及金属沉积。
· 局限：
脆性高、加工成本昂贵，难以集成柔性元件，封闭通道不适用于长期细胞培养。
1.3应用实例
· CE分离：
玻璃芯片可实现秒级分离（图1B），分离效率优于传统CE。
·原位金属加工：
利用层流实现金属纳米颗粒的定向沉积（图1D）。



图1 （a）使用湿法和融合键合方法制造玻璃微芯片（b）与CE的玻璃微流体芯片上的快速分离（c）在玻璃芯片上的微滴中的高温反应（d）使用层流在玻璃基板上的原位金属蚀刻和沉积

2弹性体材料：聚二甲基硅氧烷（PDMS）
2.1制作方法
· 软光刻技术：
1. 将PDMS预聚物与固化剂按比例混合，浇筑在硅基光刻胶模具上。
2. 60-80°C加热固化后脱模，形成微通道结构。
3.通过氧等离子体处理PDMS表面，实现与玻璃、塑料或其他PDMS层的不可逆键合（图2A）。
·多层结构组装：
通过打孔或通孔技术构建多级通道，集成微阀、微泵等功能单元（图2B-C）。
2.2技术优势· 低成本与快速原型：
无需洁净室，模具可重复使用数百次。
· 生物相容性：
透气性好，支持长期细胞培养（图2D），表面可修饰以调控细胞黏附。
· 柔性集成：
通过多层结构实现气动微阀（密度达10^6阀/cm²），兼容复杂流体操控。
2.3局限性
· 溶胀效应：
易吸收疏水小分子，导致样品污染或浓度变化。
·机械强度低：
不耐高压，不适用于有机溶剂体系。4典型应用· 单细胞分析：
通过微阀实现细胞捕获与分选（图2C）。
· 器官芯片：
模拟肺泡气体交换功能（图2D）。



图2（a）PDMS中3D微通道的制造（b）PDMS中的微效气瓣，用于操纵流体和颗粒（c）PDMS设备上Picoliter流体的复杂操纵（d）PDMS三维结构和PDMS结构变形在模拟肺功能中的应用

3热固性与热塑性塑料
3.1热固性材料
· SU-8光刻胶：
负性光刻胶，通过紫外曝光形成高深宽比结构（图3A）。
·NOA树脂：
透明度高，适用于3D微通道构建（图3B）。
3.2热塑性材料·注塑成型：
将PDMS模板高温压印至PMMA、PC等材料，实现快速复制。
· 高温热压法：
通过PDMS辅助转移模塑，突破传统注塑温度限制（最高350°C），适用于全氟聚合物（如Teflon PFA）加工（图3D）。
3.3材料对比





图3 (A)完全由SU-8制成的微通道，具有原位制造的3D精细结构 (B)在热固性NOA中制造的3D微流体通道 (C)用高温传递模塑法微加工热塑性塑料 (D)完全使用特氟隆PFA制造的微流控芯片。

4水凝胶与纸基材料
4.1水凝胶芯片
· 制作方法：
1.直接浇筑法：将预聚液注入模具，低温或化学交联成形。
2.3D打印：利用光固化或挤出式打印构建复杂结构（图4A）。
·优势：
高含水量模拟细胞外基质，支持3D细胞培养及原位药物筛选。
·局限：
分辨率低（微米级），长期培养易缺氧坏死。



图4 (A)在藻酸盐凝胶中制造的微流体装置，具有用于培养的包埋细胞 (B)分子通过通道壁扩散到藻酸盐凝胶中。

4.2纸基微流控·疏水化处理：
通过蜡印、等离子体修饰或疏水涂层形成亲水通道（图5A）。
· 优势：
无需外接泵，毛细作用驱动液体；成本低廉，适于即时检测（POCT）。
· 局限：
灵敏度受纤维素干扰，难以集成精密阀门。



图5 纸基微流控芯片 (A)在纸芯片上进行生物测定。(B)多层通道制造。

5复合材料与混合集成
5.1材料复合策略
· 硬-软结合：
玻璃-PDMS混合芯片集成气动阀与金属电极（图6A）。
·功能掺杂：
在PDMS中掺杂纳米颗粒（如氧化锌）实现温度传感（图6D）。
·原位光固化：
利用光敏水凝胶实现微通道动态调控（图6C）。
5.2功能扩展
·梯度生成：
通过扩散层实现化学浓度梯度（图6B）。
· 多材料协同：
结合PDMS柔性与玻璃耐溶剂性，优化芯片性能。



图6（A）集成阀门与电极的玻璃-PDMS混合芯片（B）用于梯度生成的PDMS-水凝胶混合芯片（C）原位光固化水凝胶结构作为pH敏感阀门实现自动流动操控（D）PDMS-ZnO复合材料在PDMS芯片上的原位温度传感器。

6应用案例与性能对比


7挑战与未来趋势
7.1材料创新开发新型复合材料（如石墨烯-聚合物杂化材料），兼顾力学性能与功能多样性。
7.2高通量集成通过3D打印和微纳加工技术实现复杂微阀、传感器阵列的集成。
7.3绿色制造通过3D打印和微纳加工技术实现复杂微阀、传感器阵列的集成。
7.4标准化工艺建立跨材料、跨平台的微流控芯片设计规范，推动产业化进程。
总结
微流控芯片的制作方法已形成多元化技术体系，从传统的硅/玻璃刻蚀到新兴的纸基、复合材料，每种材料均以其独特优势服务于特定场景。未来研究需聚焦材料性能优化与功能集成，推动微流控技术在医疗诊断、环境监测等领域的广泛应用。随着交叉学科的深度融合，微流控芯片有望成为下一代智能化、便携化分析仪器的核心平台。



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