用于细胞三维培养和力学性能研究的PDMS微芯片

摘要

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高分子有机硅化合物，具有材料价格低廉、透光性、透气性和生物相容性好、芯片制作工艺简单等优点，是制作微流控芯片等生化微芯片的一种理想材料。浇注成形法是批量制造PDMS微芯片的一种主要方法，目前制作浇注成形模具最常用的材料是硅和SU-8胶。本文研究了硅模具和SU-8胶模具的制作方法，研制出了两种PDMS微芯片，分别用于神经干细胞的三维培养和成肌细胞的力学性能研究。
　　利用光刻和干法刻蚀的方法制作了一种带有微孔阵列结构的硅模具。模具上的微孔阵列间距为20μm，微孔的宽度和深度分别为50μm和150μm，用于在PDMS上复制出细胞培养腔室周围的微柱阵列。高深宽比的微孔阵列使得浇注成形的拔模过程变得非常困难，为此开展了硅模具表面的甲基改性研究。通过降低其表面能，显著提高了硅模具的拔模质量。在此模具复制出的一种PDMS微流控芯片上，进行了小鼠神经干细胞的三维培养实验研究。
　　利用提出的一种基于光刻胶牺牲层技术的新方法制作了具有倒T形型腔的三层SU-8胶模具。首先，分别旋涂、曝光前两层SU-8胶，并一次显影制作出倒T形型腔的底部的水平结构。接着，将一种正性光刻胶填充入由前两层SU-8胶组成的腔室，并采用机械打磨和抛光的方法制作出一个临时基底。然后，在这个临时基底上旋涂第三层SU-8胶，用于制作倒T形型腔的竖直结构。作为牺牲层的正性光刻胶，一方面可以防止前两层SU-8胶在第三层SU-8胶曝光时被再次曝光，另一方面也为第三层SU-8胶的旋涂构建了一个临时基底。而且，该正性光刻胶会被SU-8胶的显影液降解，因此可以很容易在第三层SU-8胶的显影过程中被去除。利用此模具，制作出了带有T形悬臂梁结构的PDMS微芯片，并开展了C2C12成肌细胞的力学性能测试研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 微芯片在生命科学研究领域的应用

1．2 微芯片的材料与制备工艺

1．2．1 硅材料

1．2．2 玻璃和石英

1．2．3 聚合物材料

1．2．4 生物微芯片的材料选择

1．3 PDMS浇注模具的制作

1．3．1 硅材料模具加工工艺介绍

1．3．2 SU-8光刻胶模具加工工艺介绍

1．4 课题的提出及工作内容

1．4．1 课题研究背景与提出

1．4．2 本文的工作内容

2 细胞三维培养微流控芯片的制作

2．1 细胞培养微流控芯片的结构设计

2．1．1 细胞培养微流控芯片结构

2．1．2 芯片工作原理

2．2 硅模具制作工艺流程

2．3 紫外光刻工艺

2．3．1 掩膜的选用与设计

2．3．2 光刻工艺参数

2．4 反应离子刻蚀工艺

2．4．1 反应离子刻蚀(RIE)

2．4．2 硅模具的制作

2．5 PDMS浇注与键合

2．5．1 PDMS的浇注

2．5．2 硅模具上PDMS的拔模

2．5．3 PDMS芯片的键合

2．6 本章小结

3 基于微流控芯片建立mNSCs三维培养微环境

3．1 微流控细胞培养系统的建立

3．1．1 mNSCs三维培养的微流控操控系统

3．1．2 微流控芯片培养系统操作方法

3．2 基于微流控芯片的mNSCs三维培养实验结果

3．3 本章小结

4 生物传感微芯片的制作与应用

4．1 背面标记点的制作

4．1．1 硅片的氧化

4．1．2 标记点的设计

4．1．3 干法刻蚀制作标记点

4．1．4 背面标记点对准原理

4．2 SU-8胶介绍

4．2．1 SU-8胶的性能与紫外曝光机理

4．2．2 SU-8紫外光刻工艺

4．3 三层SU-8倒T形型腔模具的制作

4．3．1 SU-8模具制作工艺

4．3．2 三层SU-8胶曝光掩膜设计

4．4 SU-8模具制作过程讨论及PDMS微芯片制作

4．4．1 边珠去除和烘烤温度控制

4．4．2 光刻胶牺牲层填充与机械打磨

4．4．3 显影

4．4．4 PDMS生物传感微芯片的制作

4．5 哑铃型腔SU-8模具的制作和PDMS浇注

4．6 C2C12细胞生长过程中的力学性能研究

4．6．1 C2C12细胞培养与接种

4．6．2 C2C12微组织力学性能研究实验结果

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢