多层微流体芯片的制备及多功能仿生集成初探

摘要

动物丝由于其优异的力学性能和高效环保的工艺而备受研究者的关注。目前再生动物丝主要通过传统的湿纺、干纺或静电纺制备，这些方法工艺较简单，很难模拟动物纺丝过程中对纺丝液的组分调节和结构调控，仿生程度低。随着微流体技术的发展，人们发现具有微米级尺度的动物纺丝器官恰似复杂而精细的微流体系统。因此，微流体技术有望突破传统纺丝工艺的局限，大幅提高仿生水平，成为模拟生物纺丝过程的新方法。本论文从蜘蛛和家蚕生物纺丝器的结构和功能入手，以载玻片为基片，SU-8光刻胶为阳模构筑材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）为阴模材料，再生纤维素膜为半透膜；利用紫外光刻及模塑成型技术制备微流体芯片，设计一种集成有离子浓度调节、蛋白浓缩和剪切拉伸多功能的微流体纺丝芯片。
　　为了解决再生纤维素膜和PDMS膜片的贴合封装问题，讨论了液态胶黏剂（环氧AB胶、SILASTIC AB胶、E41硅胶）、压敏胶带（3M-9119）以及胶黏剂联合使用对三维复杂流体芯片的贴合封装效果。结果表明，环氧AB胶结合氧等离子体表面活化处理有较好的封装效果；E41硅胶和3M-9119双面胶结合使用，能分别满足对PDMS膜片和透析膜的粘合性，基本可以满足实验要求。
　　为进一步探索所制备的微流体芯片在仿生纺丝方面的应用，我们以聚乙二醇（PEG-20000）和CaCl2的混合水溶液为调节介质，通入芯片的下层通道，研究其对上层再生丝素蛋白（RSF）溶液的质量分数和Ca2+含量的调节作用。结果表明 RSF溶液的流速越低调节作用越明显，当调节介质的流速逐渐减小时，调节程度先增大再降低；初始RSF溶液的质量分数越低，调节效果越明显。由于RSF初始质量分数越大，调节后的最终质量分数也越高，所以要实现对 RSF溶液的纺丝，必须找到合适的流速和RSF初始质量分数。
　　由于三维复杂微流体芯片制备时间长、成功率低，我们将计算机仿真技术引入本论文研究，实现了微通道中 RSF溶液组成动态调控的数学建模，仿真模拟结果与实验值基本相符。
　　在前期调节介质对RSF溶液质量分数和Ca2+含量调节的基础上，本论文以该多功能集成微流体芯片为装置，以Ca2+含量为0.2 mol/L的40 wt％RSF水溶液为初始纺丝液，探索该芯片的纺丝集成功能。所得 RSF初生纤维在乙醇水溶液中经过拉伸浸泡后处理后，其初始模量可达6.8 GPa，断裂强度可达142 MPa，断裂伸长率可达18%。虽然该纤维力学性能仍不及天然脱胶丝，但是该芯片初步实现了蛋白浓缩、离子调节、剪切拉伸和纺丝这四种功能的集成，提高了仿生水平，为今后微流体技术在仿生纺丝中的应用奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 生物纺丝器及其纺丝机理

1.2 微流体技术简介

1.3 利用微流体技术模拟生物纺丝器的研究进展

1.4 本论文研究目的及意义

1.5 本论文研究内容

1.6 本论文研究创新点

第二章 多功能集成微流体芯片封装技术探索

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第三章 集成微流体芯片在蛋白浓缩及离子调控上的应用研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3实验方法

3.4 结果与讨论

3.5 结论

第四章 微流体通道中丝素蛋白溶液组成动态调节的仿真模拟

4.1引言

4.2 数学模型的建立

4.3 图形用户界面的设计

4.4 模拟结果分析

4.5 结论

第五章 多功能集成微流体芯片的纺丝初探

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 实验方法

5.4 结果与讨论

5.5 结论

第六章 结论

参考文献

附录一 Matlab仿真M文件代码

附录二 研究成果

致谢