微加工

微全分析系统( μTAS )具有便携、功耗低、自动化程度高、样品和试剂消耗低等优点，因而在化学、医学和工程等领域具有广阔的应用前景。全功能μTAS的研制是一个迭代过程，基于多个原型微器件的设计、制造和测试。通常，微制造协议需要一周或更多的高技能人员时间在高维护洁净室设施中进行，这使得这种迭代过程在全球许多地方都具有成本抑制作用。快速成型工具结合聚二甲基硅氧烷( PDMS )的使用，使微流控结构以更低的成本得以快速发展，规避了常规微加工技术中的这些问题。自1998年软光刻技术问世以来，各种快速成型PDMS基微流控器件的方法在文献中得到了证明，每种方法都有其独特的优点和缺点。本文介绍了目前PDMS基微器件的快速成型技术，包括软刻技术、印刷技术和脚手架技术等，具体比较了各种技术的特点、制备工艺和成本。我们还对从设计到测试的迭代微制造过程的每一步提出了想法和见解，以更快的速度和更低的成本改进全功能PDMS微流控器件的开发。

肌肉薄膜( MTFs )，已经在心脏组织工程和构建片上实验室系统中发现了多种应用。下面我们提出一种利用MTF对心肌细胞培养中激发波进行无标记映射的新方法。在聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜上培养乳鼠心室肌细胞，采用离轴光照法进行观察。心肌细胞收缩产生的膜的拐点导致膜表面形成明暗区的花样。这些模式被记录和分析以监测收缩传播。该方法与使用Ca2敏感荧光染料的标准光学成图技术进行了比较。两种方法得到的结果具有较好的一致性。该方法无毒，对基于人类诱导多能干细胞的测试系统的持续监测可能特别感兴趣。

组织屏障通过建立组织分隔和调节器官稳态在人体生理中发挥重要作用。在细胞外基质( ECM )与流动流体的界面处，上皮和内皮屏障负责溶质和气体交换。在过去的十年里，微流控技术和芯片上的器官设备成为流行，因为体外模型能够重复使用这些生物屏障。然而，在传统的微流控装置中，细胞屏障主要生长在聚二甲基硅氧烷( PDMS )通道内的硬聚合物膜上，这些膜既不模拟细胞与ECM的相互作用，也不允许将基质组织或血管结构等其他细胞血管结构。为了开发精确地解释组织屏障的细胞和脱细胞间隔不同的模型，研究者们将水凝胶集成到微流控芯片上进行组织屏障研究，或者作为芯片内部的细胞底物，或者作为自包含的器件。这些生物材料提供了组织屏障的软力学性能，并允许基质细胞的嵌入。水凝胶与微流控技术相结合为更好地在体外重建包括细胞成分和体内组织功能在内的组织屏障模型提供了独特的机会。这些平台有可能大大提高体外系统在药物开发或疾病建模等应用中的预测能力。尽管如此，它们的发展在其微制造方面也并非没有挑战。本文将就近年来驱动水凝胶微流控平台的制备及其在多种组织屏障模型中的应用进展。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )微加工的一个主要目标是开发一种简单、廉价的快速制造方法。尽管最近在这一领域取得了进展，但是在非平面表面上简单的PDMS微加工仍然难以实现。本文报道了一种利用柔性聚氯乙烯( PVC )空心掩模对亲水/疏水( HL / HB )界面进行微图形化的方法，在非平面表面µ PLAT ( microscale plasma-activated templating )快速成型PDMS微器件的方法。这种掩膜可以通过切割工艺师很容易地用柔性PVC膜制备，并在等离子体处理过程中作为模式定义器应用于不同基体上的微尺度HL / HB界面形成。整个过程在时间上要求投入较低，同时也需要有毒化学物质。受液态成型的启发，我们演示了它在PDMS微结构快速成型中的应用。在概念证明的研究之后，我们还演示了使用柔性镂空掩模来促进弯曲基底上的细胞图案，这是传统方法难以实现的。总之，我们的工作利用柔性和可折叠的PVC薄膜作为掩膜材料，对HL进行简单的微尺度非平面表面改性，为PDMS的成型和细胞的图形化建立了一个有用的工具。

脑植入物越来越多地被用于治疗神经系统疾病。然而，植入物引起的脑异物反应( brain foreign body response，FBR )影响神经电传导，长期可靠性限制了其临床应用。硅种植体(≈180   GPa )与脑组织(≈1 ~ 30   kPa )杨氏模量的不匹配加剧了FBR，导致聚酰亚胺等聚合物(≈1.5 ~ 2.5   GPa )形成柔性种植体。然而，至少两个数量级的刚度失配仍然存在。本研究介绍了1 )由硅树脂(约20 kPa )制成的第一个机械匹配脑植入( MMBI )，2 )新的微加工方法，3 )一种新型的可溶性糖梭可靠植入MMBI。MMBIs采用牺牲型糖模真空辅助成型制备，然后将MMBIs包裹在糖梭中，在大鼠脑内2   min内溶解。对植入MMBIs、聚二甲基硅氧烷( PDMS )种植体和硅种植体的大鼠新皮质植入后3、9周的切片进行免疫组织化学分析，MMBIs与PDMS和硅种植体相比，在组织-种植体界面50   µ m范围内，神经元密度显著升高，FBR显著降低，提示机械匹配于大脑的材料进一步降低FBR，有助于更好的种植体功能和长期可靠性。

压电微机械超声换能器( PMUT )是一种很有前途的二维阵列器件，其基频足够小(约半波长)，可以形成和接收任意的声束用于医学成像。然而，迄今为止，PMUT阵列未能结合所需的宽频带、高频率实现高轴向分辨率。本文在PMUTs中引入了聚二甲基硅氧烷( PDMS )背衬结构，在保持亚波长( λ )螺距的同时提高了器件带宽。我们在一个16 × 8阵列上实现了这种背靠背，该阵列的俯仰角为75 µ m ( 3λ / 4 )，工作频率为15 MHz。加入背衬将近一倍的带宽提高到92 % ( -6dB )，对脉冲响应灵敏度影响不大。通过拓宽换能器带宽，这种后盾可能使利用PMUT超声阵列进行高分辨率三维成像成为可能。

压电微机械超声换能器( PMUT )是一种很有前途的二维阵列器件，其基频足够小(约半波长)，可以形成和接收任意的声束用于医学成像。然而，迄今为止，PMUT阵列未能结合所需的宽频带、高频率实现高轴向分辨率。本文在PMUTs中引入了聚二甲基硅氧烷( PDMS )背衬结构，在保持亚波长( λ )螺距的同时提高了器件带宽。我们在一个16 × 8阵列上实现了这种背靠背，该阵列的俯仰角为75 µ m ( 3λ / 4 )，工作频率为15 MHz。加入背衬将近一倍的带宽提高到92 % ( -6dB )，对脉冲响应灵敏度影响不大。通过拓宽换能器带宽，这种后盾可能使利用PMUT超声阵列进行高分辨率三维成像成为可能。

近几十年来微流控技术的出现和普及几乎完全依赖于弹性体聚二甲基硅氧烷( PDMS )，PDMS在微流控研究领域取得成功的主要原因是其适合于快速成型和简单的键合方法。PDMS允许通过复制品的模压和通过各种既定的策略键合到不同的基底上进行精确的微结构。然而，PDMS基芯片制造的低可扩展性和高昂的材料成本阻碍了大规模生产和商业化的努力。此外，PDMS的基本局限性，如小分子吸收和高水分蒸发等，导致了向无PDMS体系的转变。热塑性弹性体( TPE )是一种很有前途的替代品，兼具热塑性材料和弹性体的性能。这里，我们提出了一种基于聚碳酸酯( PC )和TPE混合材料的微流控系统快速、可扩展的制备方法。PC / TPE - hybrid模块是通过在TPE中热压印精确特征，同时通过热熔连接将柔性TPE熔接到刚性热塑性层中而形成的。与TPE单独使用相比，刚性复合材料在保持TPE关键优势的同时，提高了器件的操控性能。在快速简单的工艺中，PC / TPE-杂化物既可以与几种类型的热塑性塑料结合，也可以与玻璃基板结合。即使在高温潮湿的环境中暴露7天后，所得到的键强度仍能承受至少7.5 bar的外加压力，这使得PC / TPE - hybrid适合于大多数微流控芯片的应用。此外，我们还证明了PC / TPE-杂化材料在生物相容性的同时对小分子的吸收率低，是一种适合微流控生物技术应用的材料。

近几十年来微流控技术的出现和普及几乎完全依赖于弹性体聚二甲基硅氧烷( PDMS )，PDMS在微流控研究领域取得成功的主要原因是其适合于快速成型和简单的键合方法。PDMS允许通过复制品的模压和通过各种既定的策略键合到不同的基底上进行精确的微结构。然而，PDMS基芯片制造的低可扩展性和高昂的材料成本阻碍了大规模生产和商业化的努力。此外，PDMS的基本局限性，如小分子吸收和高水分蒸发等，导致了向无PDMS体系的转变。热塑性弹性体( TPE )是一种很有前途的替代品，兼具热塑性材料和弹性体的性能。这里，我们提出了一种基于聚碳酸酯( PC )和TPE混合材料的微流控系统快速、可扩展的制备方法。PC / TPE - hybrid模块是通过在TPE中热压印精确特征，同时通过热熔连接将柔性TPE熔接到刚性热塑性层中而形成的。与TPE单独使用相比，刚性复合材料在保持TPE关键优势的同时，提高了器件的操控性能。在快速简单的工艺中，PC / TPE-杂化物既可以与几种类型的热塑性塑料结合，也可以与玻璃基板结合。即使在高温潮湿的环境中暴露7天后，所得到的键强度仍能承受至少7.5 bar的外加压力，这使得PC / TPE - hybrid适合于大多数微流控芯片的应用。此外，我们还证明了PC / TPE-杂化材料在生物相容性的同时对小分子的吸收率低，是一种适合微流控生物技术应用的材料。

聚二甲基硅氧烷( PDMS )具有使用方便、弹性好、光学透明、微加工成本低等优点，是用于芯片上器官设备和微生理系统的主要材料。然而，PDMS对小分子疏水分子的吸附以及PDMS负载器件的高通量制造能力有限，严重限制了这些系统在个性化医学、药物发现、体外药动学/药效学( PK / PD )建模以及细胞对药物反应研究中的应用。因此，相对年轻的片上器官设备和MPS领域正逐步开始为这些关键应用过渡到替代的非吸收材料。本综述审查了在开发由弹性体、水凝胶、热塑性聚合物和无机材料等替代材料组成的片上器官装置和MPS方面所采取的一些第一步。同时也提供了PDMS-交替器件走向何处以及基于PDMS替代材料的多功能器件发展中必须克服的障碍的展望。