一种聚合物微柱阵列的加工方法与流程

1.本发明涉及新材料的微纳加工领域，具体为一种聚合物微柱阵列的加工方法。


背景技术：

2.微柱阵列是一片均匀排列的微米尺寸的柱子结构，该柱子截面可以是圆形或者方形，通常直径几百微米，长度可达1000μm，硅、玻璃、聚合物(包括su-8和pdms)等是常见的制备材料。经过亲水处理的微针阵列可以被用作毛细泵，其被广泛地用作侧向层析检测的基底材料。
3.但目前传统材料(硅基和玻璃基)微柱阵列加工复杂，成本高昂，导致具有微柱阵列的材料难以大规模推广使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，解决目前传统材料(硅基和玻璃基)微柱阵列加工复杂，成本高昂，导致具有微柱阵列的材料难以大规模推广使用等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种聚合物微柱阵列的加工方法，包括如下步骤：
7.a、模具设计：根据需要设计表面微柱阵列样式；
8.b、制造模具：根据所述表面微柱阵列样式切割pmma，获得具有特定表面样式的pmma模具；
9.c、pdms倒模：将pdms预聚物均匀倒在所述pmma模具表面，加热固化后脱模，获得具有特定表面样式的pdms模具；
10.d、oste倒模：将液态oste均匀倒在所述pdms模具表面，紫外线灯照射固化脱模，获得表面具有微柱阵列的oste薄片。
11.本发明提出了一种聚合物微柱阵列的加工方法，此加工方法使用了一种新型材料oste，通过激光切割和倒模等步骤制作微柱阵列。并对其微观结构进行了表征，对其进行了亲水处理，将其用作毛细泵，并测试了液体的毛细流动性能。
12.oste全称是off-stoichiometry thiol
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enes，该聚合物基于可紫外固化的硫醇烯化学结构，利用了非化学计量比以控制其机械强度及表面化学基团。它具有良好的机械性能，并且可利用点击化学实现光照快速成型，具有大规模商业生产的潜力。对比传统硅基或者玻璃基微柱阵列，oste的变形性能更好，且加工更加简单，成本更低。综合oste的性能，它具有进行卷对卷(roll to roll)生产的潜力，可以解决片式技术生产费时费力，劳动强度大，生产率低，尺寸稳定性低等缺点。
13.优选的，pdms包括如下组分与比例：sylgard 184silicon单体和固化剂以质量比10:1混合。
14.优选的，所述oste溶液中，oste基团的巯基数量比乙烯基数量多40％。
15.优选的，所述oste溶液包括如下组分：硫醇基单体，乙烯基单体和固化剂。
16.优选的，所述硫醇基单体包括季戊四醇四巯基乙酸酯，所述乙烯基单体包括三聚氰酸三烯丙酯。
17.硫醇基单体、乙烯基单体这些药剂只是充当提供巯基和乙烯基的作用，其比例是针对基团而言，而不是具体化学药剂。本发明选用oste(40％)，这个百分比直接体现了巯基的过量程度。相比起oste(30％及以下)，oste(40％)表面活性基团、即材料表面巯基的量更多，活性也更高。而如果使用oste(50％及以上)，则弹塑性有所下降，这对制备成oste薄片、并最终得到侧向层析测试条产品是极为不利的。研究证明，当oste基团的巯基数量比乙烯基数量多40％，即巯基:乙烯基＝1.4:1时，在常温和uv作用下能够快速成型，获得的oste性能最优。
18.优选的，所述固化剂为光引发剂igr 819。
19.优选的，步骤a中，使用solidworks软件设计所述表面微柱阵列样式。
20.本发明使用了一种简单的方法制作oste的微针阵列。制作流程为使用solidworks软件进行图纸设计-激光切割亚克力板-pdms倒模-oste倒模。其中，pdms用sylgard 184silicon单体和固化剂以10:1的比例混合配制，用烤箱在70℃下烘烤固化；oste(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂igr 819三种试剂配制，利用紫外照射进行固化。整个过程操作简单，耗时短，整个过程不超过2小时，且微柱间距可以自由调整(间距在350μm及以上时有明显微柱)。
21.优选的，步骤b中，使用激光切割机激光切割pmma，具体为：先切割内部x方向的纹路，再切割y方向的纹路，最后切割模具边缘，使其脱离。
22.按照先沿x方向、后沿y方向的方式切割内部的纹路，可以简便快捷地切出微柱阵列，最后切割模具边缘是为了让模具从亚克力板上脱离下来。
23.优选的，步骤c的具体操作为：将现配的所述pdms预聚物均匀倒在所述pmma模具表面并抽去气泡，70℃加热固化1小时，之后剥离脱去所述pmma模具，获得具有特定表面样式的所述pdms模具。
24.优选的，使用真空泵抽去所述pdms预聚物内气泡，使用电热鼓风干燥箱进行加热固化。
25.优选的，步骤d的具体操作为：将现配的液态oste均匀倒在所述pdms模具表面，使用紫外线灯照射固化3分钟，之后剥离脱去所述pdms模具，获得表面具有微柱阵列的所述oste薄片。
26.紫外线灯照射固化时间为2～3分钟。如果固化时间过短，则材料难以成型；但如果固化时间过长，就会导致材料难以从模板上分离下来。
27.优选的，还包括如下步骤：
28.e、对所述oste薄片做进一步加工，获得侧向层析测试条。
29.优选的，所述侧向层析测试条的流动特性符合沃什伯恩方程。
30.经测试，本发明方法获得的侧向层析测试条的流动特性符合沃什伯恩方程，跟传统侧向层析检测基底上的流动性质一致。但比起传统侧向层析检测基底，本发明获得的侧向层析测试条是一种透明基底，且具有流速稳定、表面性质稳定的特点，具有良好的应用前景。
31.一种如上所述聚合物微柱阵列的加工方法获得的表面具有微柱阵列的oste薄片。
32.与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：
33.1.本发明的加工方法成本低，效率高，可以工业化规模生产。
34.2.本发明采用对pmma激光切割的方式制造具有均匀纹理的模具，使得两次倒模后得到的oste基底同样具有均匀的微柱阵列。
35.3.本发明通过cad制图指导激光切割的方式，使得pmma的纹理尺寸可控，使得最终两次倒模出来的oste的微柱阵列尺寸可控。
36.4.本发明使用在uv灯对在pdms上的液态oste材料照射3分钟，使oste快速成型，形成表面具有均一的微柱阵列。
37.5.本发明所用材料之间具有良好的相互剥离性，能在保持微柱阵列结构的前提下两次倒模均采用物理剥离方式除去模具，比起传统侵蚀法除模具，本发明更方便快捷、环保实用，具有良好的推广前景。
附图说明
38.图1是本发明聚合物微柱阵列的加工方法流程示意图；其中1-亚克力(pmma)，2-聚二甲基硅氧烷(pdms)，3-非化学计量硫醇(oste)；
39.图2是加工步骤(1)(2)中pmma的切割样式示意图；其中p代表的是纹路间距，x代表第一个切割方向，y代表第二个切割方向；
40.图3是本发明加工流程完成后通过体式显微镜获取的oste微柱阵列图像；
41.图4是本发明加工流程完成后所制备侧向层析测试条的形状示意图；
42.图5是本发明加工流程完成后所制备侧向层析测试条的体积容量结果图；
43.图6是本发明加工流程完成后所制备侧向层析测试条的流量与时间的关系图。
具体实施方式
44.下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
45.以下结合附图说明对本发明的具体实施方式进行阐述,一种聚合物微柱阵列的加工方法，步骤如下：
46.1、准备pmma模具：选用pmma作为模具，使用solidworks软件设计pmma的切割样式，如图2所示，一块pmma模具的尺寸为11cm
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11cm；
47.2、激光切割pmma：使用激光切割机，如图2所示，内部纹路切割参数设置为：表面切割模式，材料厚度1mm，不吹气模式，切割速度100mm/s，功率25％，转角功率70％，激光频率20khz，封口长度0mm；外部切断脱离参数设置为：切断切割模式，材料厚度1mm，不吹气模式，切割速度10mm/s，功率90％，转角功率70％，激光频率20khz，封口长度0mm；切割顺序为先切割内部x方向的纹路，再切割y方向的纹路，最后切割模具边缘，使其脱离；
48.3、pdms倒模：将现配的pdms(sylgard 184silicon单体和光引发剂igr 819以质量比10:1混合)均匀倒于pmma模具表面，通过真空泵抽去pdms内气泡，使用电热鼓风干燥箱对pdms进行70℃加热固化1小时，将pdms从pmma上脱下；
49.4、oste倒模：oste(40％)使用硫醇基单体(季戊四醇四巯基乙酸酯)，乙烯基单体(三聚氰酸三烯丙酯)和光引发剂igr 819三种试剂配制，将现配的oste均匀倒于pdms模具
表面，使用紫外灯对oste进行照射固化3分钟，将oste从pdms上脱下得到(5)oste微柱阵列，如图3所示。
50.由于激光束从核心到周围的强度分布为高斯分布(alda,2011)，所以pmma和oste上的凹槽轮廓类似于高斯曲线，如图1所示(该示意图不反应真实比例)。
51.通过使用扫描式电子显微镜、imagej软件和台阶仪，得到由上述加工方法制备的纹路间距为350μm和500μm的oste微柱阵列的结构尺寸，如表1所示；
52.经过上述加工方法得到oste微柱阵列后，使用激光切割机将其切割成侧向层析测试条的形状，如图4所示，切割参数设置为：表面切割模式，材料厚度1mm，不吹气模式，切割速度30mm/s，功率70％，转角功率50％，激光频率20khz，封口长度0mm；使用等离子清洗机对测试条进行亲水处理，并在测试条上覆盖亲水胶布；测试条长轴沿y方向；
53.将测试条垂直浸入水中，测量其体积容量并观察渗透情况，当渗透停止时及时取出测试条；通过测量测试条吸水前后的重量，计算得到测试条的体积容量，如表1和图5所示；
54.分别在p＝350μm和p＝500μm的oste测试条上滴加15μl和12μl色素溶液，结果显示其流动特性符合沃什伯恩方程，如图6所示；将实验数据与沃什伯恩方程拟合，得到确定系数和其平均流速，如表1所示。
55.表1
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[0057][0058]
本实例开发了一种利用新型聚合物oste快速制备微柱阵列的方法，证明它可以作为毛细管泵，并提供与临床检测相关的流量。均匀的微观结构保证了不同测试条流量的均一性。oste微柱阵列可以用作侧向层析检测的基底材料，在侧向层析检测上有着广泛的应用前景。
[0059]
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。