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连续激光热解,实现PDMS精雕细琢

聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为一种具有优异机械性能、生物相容性及光学透明性的硅橡胶弹性体材料,一直以来是软光刻等微纳图案化技术研究的重要目标。但是,目前PDMS基材的成型仍多依赖于模板复制。而模板制备依赖于光刻技术,整个过程较为繁琐、费时、成本较高,成为限制PDMS成型技术的瓶颈问题;其次,后续的模板复制环节对技术人员的操作性具有较大的依赖性,导致PDMS器件难以实现标椎化生产。开发一种简便、快捷的成型技术实现PDMS基材的快速2D、3D成型在微流控技术、软体机器人等领域具有重大的应用需求。


近日,韩国国立首尔大学Seung Hwan Ko 、Noo Li Jeon研究团队采用连续激光热解(successive laser pyrolysis, SLP)策略,开发了简便、高效的块体PDMS基材的准-3D数字图案化成型技术。基于SLP技术,研究人员将PDMS组分转化为易于清除的碳化硅,使得2D 或3D PDMS结构器件能够在1小时内快速构筑。该研究成果在生物芯片器件快速构筑的应用,展示其在微结构器件制备方面具有极大的开发潜力。

SLP成型技术过程展示。图片来源:Nat. Mater.


采用连续波(CW)激光辐照,研究团队从PDMS基材表面热解起始点开始形成初始的不透明碳化硅(SiC)层;基于SiC层的吸光度增加,激光的光热能(光热效率)进一步提升,使得激光聚焦的几微米范围PDMS材质热解,最终通过正表面扫描SLP(FSS SLP)技术、沿着激光辐照路线完成PDMS的热解成型加工。

SLP成型工艺参数考察。图片来源:Nat. Mater.


与传统的PDMS激光刻蚀成型技术相比较,该FSS SLP成型技术的加工质量显著提升,具有较高的图案分辨率。此外,研究团队进一步开发出背面扫描SLP(BSS SLP)技术实现了PDMS基体内部(纵深方向)的热解成型加工;基于逐层SiC的形成,该技术成功实现几毫米纵向深度PDMS基材的热解成型加工。整体上较为简单的激光热解成型机理,使得该技术(通过辐照激光强度等工艺参数调控)具有高度可控性,可简便实现PDMS高质量的2D、3D数字图案化。

PDMS高质量的2D、3D数字图案化。图片来源:Nat. Mater.


在微纳结构器件构筑应用方面,研究团队运用SLP技术实现了3种代表性PDMS基生物芯片的自动化、快速制备。单通道微血管芯片:采用梯形微柱阵列分隔通道、使培养基实现有效供应,成功实现三维微血管网络的构筑;双层皮肤芯片:由上层用于皮肤细胞的孔结构和下层用于血管网络的空间结构组成,血管网络被嵌入的薄透孔膜(200微米)分隔开;可拉伸膜芯片:具有优异的可逆形变能力。

SLP技术构筑PDMS微流控器件应用。图片来源:Nat. Mater.



总结


聚合物高温热分解是有机材料领域人们所熟知的基本现象,但这种现象的可控性较差。该论文基于连续激光热解技术,巧妙的实现了PDMS基材的可控热解及成型加工,可用于PDMS 2D、3D数字图案化,将极大的推动PDMS基微纳器件(比如生物芯片)的构筑及应用。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Monolithic digital patterning of polydimethylsiloxane with successive laser pyrolysis

Jaeho Shin, Jihoon Ko, Seongmin Jeong, Phillip Won, Younggeun Lee, Jinmo Kim, Sukjoon Hong, Noo Li Jeon, Seung Hwan Ko

Nat. Mater., 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0769-6


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