一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片及其制备方法和应用，该光固化微流控芯片包括通道结构层和封接层，通道结构层包含含通道结构的光固化层和用于支撑该光固化层的弹性支撑体；弹性支撑体与光固化层之间通过共价结合或粘附作用连接；含通道结构的光固化层由光固化原料覆盖于模具之上通过光辐照后固化形成；弹性支撑体包括本体层和选择性增加的连接层。该光固化微流控芯片对光固化材料和模具种类均没有特殊限制，使得整个芯片加工过程可以在室温、大气环境下进行；且芯片的打孔、封接、切割以及外界管路连接等方面也更加简便、快速，既适合于常规实验室中开展微流控芯片原型的设计开发，也具有良好的批量化生产潜力。产潜力。产潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及微流控芯片
，尤其涉及一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]微流控芯片由于具有流体控制精确、样品需求量少、反应快速以及易于集成等优势，在化学、生物学、医学等领域获得了越来越广泛的研究与应用。目前，用于制备微流控芯片的材料主要包括硅、玻璃和有机聚合物等。其中，有机聚合物与硅和玻璃等无机材料相比具有许多优势，包括种类多样、易于获得较大的深宽比、可以批量化生产、成本低等。代表性的有机聚合物包括聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、环烯烃共聚物(COC)等。这些材料可以通过热压、注塑等方式批量、廉价地生产微流控芯片，但由于模具的加工复杂、周期长、成本高，且芯片制备需要注塑机等大型设备，因而对芯片设计、开发等环节构成了极大的挑战。
[0003]基于以上原因，聚二甲基硅氧烷(PDMS)仍是目前最常用的有机聚合物芯片材料。因其可以在常规实验室内通过模塑法快速成型，同时具有较低的成本、良好的弹性、优异的生物相容性等优点，几乎是目前绝大多数实验室开展微流控芯片研究的首选。但实际上，PDMS材料也存在一些严重的局限：1)固化速度慢，模具占用时间长，难以实现批量化生产；2)表面改性困难、步骤繁琐，更难以实现局部可控修饰；3)透气，不适合聚合酶链式反应(PCR)等需要防止试剂蒸发的应用；4)易被有机试剂溶胀，严重限制其在相关化学反应中的应用；等等。综上所述，尽管PDMS是一种非常具有优势、同时也是最受欢迎的微流控芯片材料，但显然难以满足日益广泛的应用需求。此外，常规实验室所研制的PDMS芯片原型往往还需要经过材料替代、加工工艺优化等二次开发过程才能实现批量生产和降低成本。这也是很多优秀的微流控芯片研究成果未能成功商品化的重要原因之一。
[0004]近年来，光固化材料逐渐成为了微流控芯片研究的热门。它们通常可以在室温条件下，通过紫外光照射迅速(几秒至几十秒)固化，因此既满足实验室研发阶段的快速成型需求，同时也具有很好的批量化生产潜力。由光固化材料所制备的微流控芯片由于具有大量活性官能团，在表面改性、原位光固化微结构等方面具有十分明显的优势。此外，光固化材料的种类很多(如丙烯酸酯类、硫醇
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烯类、环氧树脂类等)，众多的试剂公司(如沙多玛、赢创、长兴等)可以提供数以千计的具有不同物理化学性质(密度、粘度、硬度、弹性、粘附力、折射率、亲疏水性、抗溶剂性等)的光固化材料，因此在芯片设计之初，就可以根据特定的应用需求来选择和调制最适合的材料。这将大大提高微流控芯片从设计开发到产品化的成功率。
[0005]但截至目前，光固化微流控芯片的加工仍面临诸多挑战：1)很多光固化材料的柔韧性差，难以从硅等硬质模具上翻模，因此只能以有弹性的PDMS等材料作为模具，这不仅会增加加工步骤，而且不适用于可以溶胀PDMS的光固化材料。2)由于存在氧阻聚问题，目前的
光固化微流控芯片加工多在真空或者氮气环境下完成，大大增加了设备、加工工艺的复杂度和成本，这在以PDMS材料作为模具时尤为突出。3)多数光固化材料不适合单独作为微流控芯片主体(一般几毫米厚)。这一方面是由于它们一般对紫外光吸收较强，从而造成沿光传播方向的聚合反应差异，此外快速且大量的放热也容易引起材料内部不均匀；另一方面，很多光固化材料的机械性能并不满足微流控芯片的要求(如过软、过硬或者易碎等)，同时也使得芯片在切割、打孔、外界管路连接等方面存在诸多不便。因此，亟需发展更加简便、通用的光固化微流控芯片加工方法，以使得大量优秀的光固化材料更好地应用于微流控芯片领域。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术公开了一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，对光固化材料的种类没有特殊限制，对模具种类也没有特殊限制，使得利用硅等硬质材料作为模具成为可能，从而省去额外的PDMS 模具加工环节，同时有效克服了氧阻聚问题，使得整个芯片加工过程可以在室温、大气环境下进行；且芯片的加工，包括芯片的打孔、封接、切割以及外界管路连接等方面也更加简便、快速，既适合于常规实验室中开展微流控芯片原型的设计开发，也具有良好的批量化生产潜力。
[0007]具体技术方案如下：
[0008]一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，包括通道结构层和用于封接所述通道结构层的封接层；
[0009]所述通道结构层包含含通道结构的光固化层和用于支撑所述光固化层的弹性支撑体；
[0010]所述弹性支撑体与所述光固化层之间通过共价结合或粘附作用连接；
[0011]所述含通道结构的光固化层由光固化原料覆盖于模具之上通过光辐照后固化形成，所述光固化原料包括含光固化官能团的单体和/或含光固化官能团的低聚物，所述光固化官能团选自丙烯酸酯官能团、甲基丙烯酸酯官能团、巯基官能团、烯基官能团、乙烯基醚官能团、环氧基官能团中的一种或多种；
[0012]所述弹性支撑体包括本体层和选择性增加的连接层；
[0013]所述本体层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯丙烯酸酯、聚氨酯甲基丙烯酸酯、热塑性聚氨酯弹性体、热塑性聚烯烃弹性体、热塑性聚酯弹性体、热塑性聚苯乙烯弹性体、硫醇
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烯聚合物中的一种或多种；
[0014]所述封接层选自基底或另一所述通道结构层。
[0015]本专利技术公开的光固化微流控芯片，其核心思想在于采用具有良好柔韧性的弹性支撑体，使其通过共价结合或者粘附作用与含通道结构的光固化层相连接，从而在模具上快速制备通道结构层，再与其它通道结构层、中间层或基底层封接形成完整的光固化微流控芯片。由于弹性支撑体的支撑作用，含通道结构的光固化层也将具备一定的柔韧性和弹性，这一特点将使几乎所有光固化材料都可以被应用于微流控芯片的制备；与此同时，芯片的打孔、封接、切割以及外界管路连接等方面也将变得更加容易。由弹性支撑体所赋予的良好柔韧性和弹性还使得利用硅等硬质材料作为模具成为可能，从而省去额外的PDMS模具加工环节，同时有效克服了氧阻聚问题，使得整个芯片加工过程可以在室温、大气环境下进行。
总之，该方法适用于几乎所有的光固化材料，芯片的加工也更加简便、快速，既适合于常规实验室中开展微流控芯片原型的设计开发，也具有良好的批量化生产潜力。
[0016]优选的：
[0017]所述光固化层的厚度选自30～300μm；此厚度下的光固化原料容易固化成完整的光固化层，并在弹性支撑体的支撑下表现出良好的良好柔韧性和弹性。
[0018]所述弹性支撑体的厚度选自1～6mm；此厚度下的弹性支撑体对光固化层具有更好的支撑作用。
[0019]本专利技术中，所述弹性支撑体包括本体层和选择性增加的连接层；当所述本体层带有可以与所述光固化层之间通过共价结合或粘附作用连接的光固化官能团时，就无需引入连接层；当所述本体层无法直接与所述光固化层之间通过共价结合或粘附作用连接时，需要引入连接层。
[0020]所述本体层带有可以与所述光固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，包括通道结构层和用于封接所述通道结构层的封接层，其特征在于：所述通道结构层包含含通道结构的光固化层和用于支撑所述光固化层的弹性支撑体；所述弹性支撑体与所述光固化层之间通过共价结合或粘附作用连接；所述含通道结构的光固化层由光固化原料覆盖于模具之上通过光辐照后固化形成，所述光固化原料包括含光固化官能团的单体和/或含光固化官能团的低聚物，所述光固化官能团选自丙烯酸酯官能团、甲基丙烯酸酯官能团、巯基官能团、烯基官能团、乙烯基醚官能团、环氧基官能团中的一种或多种；所述弹性支撑体包括本体层和选择性增加的连接层；所述本体层的材质选自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯丙烯酸酯、聚氨酯甲基丙烯酸酯、热塑性聚氨酯弹性体、热塑性聚烯烃弹性体、热塑性聚酯弹性体、热塑性聚苯乙烯弹性体、硫醇
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烯聚合物中的一种或多种；所述封接层选自基底或另一所述通道结构层。2.根据权利要求1所述的基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，其特征在于：所述光固化层的厚度选自30～300μm；所述弹性支撑体的厚度选自1～6mm。3.根据权利要求1所述的基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，其特征在于：所述连接层，按重量百分比计，原料组成包括：光固化试剂
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0.0～99.5％；交联剂
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0.0～99.5％；光聚合引发剂
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0.5～5.0％；所述光固化试剂与所述交联剂不同时为0，但保证三者的总重量为100％；所述光固化试剂选自含光固化官能团的单体和/或含光固化官能团的低聚物，所述光固化官能团选自丙烯酸酯官能团、甲基丙烯酸酯官能团、巯基官能团、烯基官能团、乙烯基醚官能团、环氧基官能团中的一种或多种；所述交联剂选自包含两种以上反应官能团的试剂；所述反应官能团选自丙烯酸酯官能团、甲基丙烯酸酯官能团、巯基官能团、烯基官能团、环氧基官能团或氨基官能团；所述光聚合引发剂选自苯偶酰类化合物、烷基苯酮类化合物、酰基磷氧化物中的一种或多种；或者，所述连接层为与所述本体层及所述光固化层具有良好粘附性的胶水薄层或双面胶薄层。4.根据权利要求1或3所述的基于弹性支撑体的光固化微流控芯片，其特征在于：所述含光固化官能团的单体选自双酚A乙氧酸二丙烯酸、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯、双酚A甘油二丙烯酸、双酚A二甲基丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、新戊基二醇丙氧杂酸二丙烯酸、三环癸烷二甲醇丙烯酸酯、甲基丙烯酸硬脂酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、1,6
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己二醇二丙烯酸酯、1,10
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癸二醇二丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H
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全氟癸基丙烯酸酯、2
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(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯、甘油1,3
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二甘油醇酸二丙烯酸酯、丙烯酸
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羟基丁酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三[2
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(3
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巯基丙酸基)乙基]异氰尿酸酯、三羟甲基丙烷三(3
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巯基丙酸酯)、四(2
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巯基乙酸)
季戊四醇酯、1,3,5
‑
三烯丙基
‑
1,3,5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，何宇，祝芙天纯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：