用于生物医学微流控的折射率匹配器件的制备

摘要

本方案描述了使用MY133-V2000制备微流控装置的方法，以消除由于微通道结构与水溶液之间折射率不匹配而常在微通道中产生的伪影。本方案采用丙烯酸支架压缩封装后的装置，从而在化学和机械层面增强粘附性。

摘要

微流控装置的使用已成为生物医学应用中的一项关键工具。当与现代显微技术相结合时，这些装置可作为多功能平台的一部分，实现同步互补测量。将这两种技术结合所面临的主要挑战在于，传统上用于制造微流控装置的材料与生物医学中常用的水溶液之间存在折射率不匹配的问题。这种不匹配会在通道或装置边缘附近产生光学伪影。一种解决方案是采用折射率接近水（n = 1.33）的氟化聚合物（如 MY133-V2000）来降低装置制造材料的折射率。本文展示了利用软光刻技术制备 MY133-V2000 微流控装置的方法，并结合使用 O₂ 等离子体处理和丙烯酸固定夹具，以增强 MY133-V2000 制成的装置与聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底之间的粘附性。随后，通过将装置充满细胞培养基并在其中孵育 24 小时，验证该装置在典型成像实验过程中维持细胞培养条件的能力。最后，采用定量相位显微镜（QPM）测量微通道中活贴壁细胞内的质量分布。由此证明，相较于传统的软光刻材料（如 PDMS），使用 MY133-V2000 等低折射率聚合物制造装置可显著提高测量精度。总体而言，该微流控装置制备方法可轻松整合到现有的软光刻工作流程中，以减少光学伪影并提升测量精确度。

引言

微流控技术的发展催生了多种新型生物医学技术，这些技术利用了微观尺度流动所特有的物理特性^1,2。其中包括基于微流控平台的诊断技术，可用于定量检测具有临床意义的生物标志物，如细胞刚度³、表面标志物⁴和生长特性⁵。通过操控单个细胞，微流控装置还可用于测量生物标志物的异质性，例如作为恶性肿瘤的指示指标⁶。将微流控应用与显微镜技术相结合，进一步提升了这些平台的实用性，使其能够同时测量多种生物标志物⁷。

QPM 是一种显微技术，通过测量光穿过透明样品并与其中物质相互作用时产生的相位变化，来获取样品信息。利用折射率与生物量密度之间的已知关系，可通过 QPM 测量结果计算单个细胞的质量。^8,9先前的研究表明，定量相位显微镜（QPM）能够测量细胞生长等具有临床意义的参数^10,11 以及细胞力学特性 通过....

方案

1. 聚二甲基硅氧烷负模的制备

1. 聚二甲基硅氧烷的制备
   1. 称取18 g PDMS硅弹性体和1.8 g固化剂。将固化剂倒入装有弹性体的称量舟中。
   2. 剧烈混合弹性体与固化剂1分钟，然后将混合物放入真空腔中脱气30分钟。
   3. 从真空环境中取出PDMS，用曲奇模具（半径 = 3.8 cm）将15 g PDMS倒在负模上，以防止PDMS从边缘溢出，并将剩余的PDMS混合物盖好保存。
   4. 将含有PDMS的模具放入真空腔中处理10分钟。
   5. 将含有PDMS的模具从真空腔中取出，置于预热至150 °C的加热板上加热60分钟以完成固化，并用铝箔覆盖。
   6. 将剩余的PDMS倒在倒置的玻璃培养皿（直径10 cm）上，使用另一个曲奇模具作为模具，制备一块PDMS垫。将此培养皿放入真空腔中，直至PDMS负模完全固化。
   7. 将带有PDMS的培养皿从真空环境中转移至预热的加热板上，在150 °C下加热60分钟以完成固化。
2. 聚二甲基硅氧烷的等离子体表面处理
   1. 将锋利的剃须刀片插入PDMS与曲奇模具下方，小心地将PDMS从负模上剥离。
   2. 使用锋利的 hobby 刀从较大的PDMS片上切下负模部分；切割时应保留足够的边缘区域，以便在上方粘接另一块PDMS，且不....

结果

本方案描述了MY133-V2000的制备方法，这是一种折射率与水相近的含氟聚合物。该方案的一个关键特征是通过氧等离子体处理以及在丙烯酸树脂支架内构建器件，以克服含氟聚合物通常缺乏粘附性的问题，从而提供将通道密封至PDMS基底所需的额外机械力（图1）。最终器件的低折射率可在宏观尺度上清晰体现（图2）。由该材料制成的通道边缘在空气中可清晰观察到（图2A），但由于其折射率与水接近，浸入水中后则难以分辨（图2B）。这为器件制备完成后快速检验材料的光学特性提供了依据。一个成功制备的器件如图2C所示，其中可见MY133-V2000微通道被丙烯酸树脂封装，后者提供了密封微通道所需的额外机械力.......

讨论

MY133-V2000 可作为传统软光刻 fabrication 材料（如 PDMS）的替代材料。先前的研究表明，具有高折射率的材料（如 PDMS）由于 fabrication 材料与通道内水溶液之间的折射率不匹配，会在通道壁附近引入显著的成像伪影¹³。MY133-V2000 能够使微流控器件的折射率与生物医学应用中常用的水溶液相匹配。这在将微流控技术与先进显微镜技术结合时减少了成像伪影，相较于传统微流控 fabrication 材料具有明显优势。该系统实现的微流控通道内伪影减少，使得荧光和定量相位显微镜（图3）信号能够被更精确地量化，即使在靠近微通道结构的区域也能实现¹³。

作为一种含氟聚合物，MY133-V2000 通常在微通道结构与其他材料之间表现出较低的粘附性，这与传统制造材料相比构成了主要限制。为克服这一挑战，需同时采用化学表面处理（O₂等离子体）以及通过将装置和PDMS垫圈夹在基底与一块丙烯酸树.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MY133-V2000	MY Polymers	MY133-V2000
Sylgard 184	Ellsworth Adhesives	184 SIL ELAST KIT 0.5KG
Fisher Premium 显微镜载玻片	Fisher Scientific	12-544-4
.118"(3.0mm) x 12" x 12" 丙烯酸板	United States Plastic Corp	44290
.060"(1.5mm) x 12" x 12" 丙烯酸板	United States Plastic Corp	44200
SCIGRIP 3 快速固化丙烯酸胶	United States Plastic Corp	45735
标准铝箔（0.6 mm 厚）	VWR	89107-726
Kim Wipes 擦拭纸	Fisher Scientific	06-666
Insta-Cure+ 超强胶水	Bob Smith Industries	BSI-109
1/8" PVC 管	McMaster Carr	5231K55
McCormick 食用色素	Target	13353207
X-Acto #1 精密刀	X-Acto	X3201
X-Acto #18 重型木凿刀片	X-Acto	X218
VWR 剃刀刀片	VWR	55411-055
表面处理细胞培养皿	Fisher Scientific	FBO12922
人血浆纤连蛋白	Sigma-Aldritch	F0895-1MG
胰蛋白酶-EDTA 10x	Fisher Scientific	15-400-054
Corning 磷酸盐缓冲液（Dulbecco's PBS）	Fisher Scientific	MT21030CM
Gibco 青霉素-链霉素	Fisher Scientific	15-140-148
HyClone 非必需氨基酸 100x	Fisher Scientific	SH3023801
胎牛血清	Omega Scientific	FB-12
Corning 含 L-谷氨酰胺和葡萄糖的 DMEM 培养基	Fisher Scientific	MT10013CV
三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷	Sigma-Aldritch	448931	与水剧烈反应
乙醇，200 证明，Decon Labs	Fisher Scientific	04-355-223
丙酮	Fisher Scientific	A18P-4
Bel-Art 42025 塑料干燥器	Cole-Parmer	EW-06514-30
Epilog Fusion 激光切割机，120 W	Epilog Laser	Epilog Fusion M2 32 Laser
Isotemp 搅拌加热板	Fisher Scientific	SP88850200
Ateco 14111 1.5 英寸不锈钢切割器	Ateco	14111
Pyrex 玻璃细胞培养皿	Fisher Scientific	08-747B
射频等离子清洗机	Harrick Plasma	PDC-32G	使用氧气气体
Black Hole Laboratories Digivac	Black Hole Laboratories	Model 215
Intelli-Ray 紫外线烘箱	Uvitron	UVO338
紧凑型旋涂仪	MTI Corporation	VTC-100A
Fisher Brand Isotemp 烘箱	Fisher Scientific	15-103-0510	强制空气对流
Gilson 正向置换移液器 P1000	Fisher Scientific	FD10006G
HeraCell VIOS 160i	Fisher Scientific	13 998 212PM