CN110423374A - 在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，包括以下步骤：微流体通道板材料表面预处理，获得制备表面活化的的微流体通道板材料；将活化预处理后的烯微流体通道板材料直接与含不同分子量的聚氧化乙烯反应溶液体系，不同位置进行嫁接反应得到不同润湿性的微流体通道板材料；将嫁接后的微流体通道板材料充分清洗，去除残留反应物后经真空干燥即得。该方法进行嫁接获得的改性表面可以获得不同程度的润湿性，并且具有优异的稳定性，表面能够极大地减少与蛋白等物质的相互作用，可广泛使用各类采用微流体通道板作为原材料的医用材料或者医用器械领域。该方法操作简单，可控强，可产业化。

Description

在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法
技术领域
本发明涉及材料表面改性方法，具体涉及一种在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法。
背景技术
即时检测(point-of-care testing，POCT)，是在病人身边就可以进行的临床检测，即在采样现场即时进行分析的一种分析检测方法。这种方法不仅省去了样品在试验室检测时的各种复杂的处理程序，而且能十分快速且准确的得到检测结果的一种新兴方法。而微流控技术操作简单、制作成本低、灵敏度高、高通量和设备小型化等特点符合POCT的技术理念和发展需求。这些年来，微流控技术已逐步成为即时检验领域的热点研究对象和核心技术。
微流控芯片技术集合了微观力学、微电子、微生物和纳米技术，是一门新兴的交叉性新学科。它涉及许多基础学科，如物理学，生物学和化学。目的是通过微控制器中微流体的操作和控制实现分析设备的小型化，集成化和自动化。它能实现化学实验室的分析功能，如取样，预处理，反应，分离和检测一步完成。最终实现芯片化，这被人们称为“芯片实验室”。
生物材料通过表面与人体相互接触，因此材料最外层的性质决定生物体对植入体的反应以及材料对周围的生物环境的反应也很重要。目前，许多未经修饰过的聚合物植入生物体后，局部肌体组织往往把它当成异物来排斥，从而会引发一些不良反应。而经过修饰过后的聚合物可以被肌体组织接受，从而降低了不良反应，加强了材料与肌体组织之间的适应能力。而材料表面的亲疏水性也是影响蛋白质吸附和细胞粘附的一个重要因素。大量的实验研究结果发现亲水性表面具有更好的润湿性和生物相容性。
润湿是指液体与固体接触，使固体表面能下降的现象，润湿作用主要是通过测量接触角来进行表征材料的润湿性。材料表面的化学构成和微观上的构造是影响表面润湿性的主要原因，可以经由表面改性修饰和表面的微造型来转变材料表面的润湿性。所以对于材料表面润湿性的钻研在材料工程中具备重大的意义。
微通道内表面的微/纳米结构也会影响到微流体在其中流动时的传热、传质过程。人们通常使用带有不同活性端基的硅烷偶联剂，将各种官能团(氨基、巯基、羧基等)引入到预先处理后的微流体通道上，从而改变材料表面润湿性。
聚氧化乙烯，又称为聚环氧乙烷(PEO)，是一种白色粒状粉末。具有结晶性和热塑性，是一种水溶性聚合物，具有无毒性、增稠、润滑和保水性等特点。由于其良好的亲水性能，利用预处理或氧化方法后，在材料表面接枝不同分子量的聚氧化乙烯，可以降低蛋白质和血小板在表面的吸附大大提高了材料的生物相容性。
微流控芯片技术在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。因此，对微流控芯片的表面修饰，调控润湿性具有重要的研究意义。材料的表面修饰是一种简便易行的方法，可根据材料本身选择相适应的选择。其既不影响自身的力学、理化等性质，又可以使材料表面性能得到改善，特别适用于将材料制成生物医用器件后再进行表面后处理。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的引入有害物质以及嫁接反应难以控制等技术问题，本申请提供了一种在微流体通道板表面嫁接不同分子量聚氧化乙烯以制备润湿性梯度的的方法。
技术方案：本发明所述的一种在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，包括以下步骤：
(1)微流体通道板材料表面预处理，制备表面活化的微流体通道板材料；
(2)将活化预处理后的微流体通道板材料与不同分子量聚氧化乙烯的水溶液进行嫁接反应，得到不同润湿性梯度的微流体通道板材料；
(3)将嫁接后的微流体通道板材料清洗去除残留反应物，真空干燥即得。
步骤(1)中，对微流体通道板材料表面进行活化预处理的方法选用多巴胺预处理方法，活化微流体通道板材料表面获得亲水性吸附活性位，其处理时间为24h，处理温度25℃。其中，多巴胺浓度0.5-40mM，优选2mg/mL。
步骤(1)中，对微流体通道板材料表面进行活化预处理的方法还可以选用臭氧氧化处理，处理时间为10-60分钟，臭氧浓度为2-80mg·L-1。
优选的，臭氧氧化处理反应时间为15-30分钟，臭氧浓度为10-20mg·L-1。
步骤(2)中，所述不同分子量聚氧化乙烯包括1000、2000、10000、100000、300000分子量的聚氧化乙烯。
所述活化预处理后的微流体通道板材料与不同分子量聚氧化乙烯的水溶液进行不同部位的嫁接反应，即一块微流体通道板上可以嫁接不同分子量聚氧化乙烯于不同部位，使之产生不同润湿性的梯度。
步骤(2)中，所述聚氧化乙烯的水溶液浓度为0.8-8.5％，优选2-4％，最优选为4％；嫁接反应在空气中进行，时间为6-48小时，优选20～30℃反应12～24h。
所述微流体通道板材料为二甲基硅氧烷，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚酯等。
步骤(3)中，所述清洗是指在常温下使用去离子水洗涤3-8次后，再在去离子水中超声清洗5-10min。
本发明处理获得的改性微流体通道板表面稳定，采用多巴胺预处理其表面的水接触角可控范围在20-85°，实现微流体通道表面润湿性的粗调；采用臭氧氧化预处理其表面的水接触角可控范围在60-85°，实现微流体通道表面润湿性的细调。
有益效果：本发明提供的技术方案过程简单可控强，可产业化，预处理微流体通道板材料表面以获得吸附活性位，呈现亲水性特征。这样就可以改善高分子聚合物的表面物理化学特性，进而改变亲水性聚合物前驱体的吸附状态，从而简化后续工艺和提高嫁接效率，可以轻易与表面结构相结合。亲水性聚合物前驱体的吸附结构改变和吸附量增大，对后续的嫁接聚合反应产生重要的影响。因此，在浸渍吸附前，合适的表面处理和改善吸附条件，使得嫁接涂层过程具有反应物组成容易调控，减少和消除反应中的有害物质等优点。例如减少添加剂的加入，而且在工程上反应条件可控性强，容易实现工业化生产。聚氧化乙烯具有不与血清中的蛋白相互作用，提高测试正确度的优点。材料预处理后，不同分子量聚氧化乙烯的嫁接，使材料可以形成不同的润湿性梯度结构。
附图说明
图1是典型的不同分子量的聚氧化乙烯修饰后的接触角；
图2是典型的表面修饰后的微流体通道板表面的润湿性。
具体实施方式
下面将结合实施方式对本发明进行详细的描述。
本发明的技术方案具体来说可以采用如下步骤：
(1)微流体通道板材料表面清洗分别用去离子水，乙醇清洗，真空干燥后待用；微流体通道板材料，通过多巴胺预处理，以获得充分的表面活性，为之后的处理提供基础；
(2)在超纯水中制备浓度为4％的2000、10000、100000、300000分子量的聚氧化乙烯水溶液。聚氧化乙烯需要均匀分散和溶解在其中。微流体通道板材料加入反应溶液中，在恒温下反应。其中，反应温度25℃，反应时间为24小时。
(3)反应后的微流体通道板材料，在去离子水中洗涤3次，在去离子水中超声清洗5min，真空干燥后保存使用。最后清洗过程中，在去离子水中洗涤温度为25℃。
其中，多巴胺预处理可以是：将多巴胺(2mg/mL)溶于Tris-HCL缓冲溶液(pH＝8.5,50mM)中。微流体通道板在静态下浸入Tris-HCL缓冲溶液中24小时。用去离子水彻底漂洗试样三次，得到多巴胺涂覆的微流体通道板。真空干燥5小时后保存使用。
实施例1：将二甲基硅氧烷微流体通道板板超声5分钟充分清洗，真空干燥5小时后，取出待用；取20mL Tris-HCl缓冲溶液，将2mg/mL的多巴胺溶解在其中，将干燥后的微流体通道板浸入24小时后，取出用去离子水漂洗三次，真空干燥后待用；配1％的300000分子量的聚氧化乙烯水溶液，将干燥后的预处理过的微流体通道板浸入24小时，取出用去离子水漂洗三次，干燥即可。经测试，水接触角直接从85°降至13°，改性效果明显。
实施例2：将聚苯乙烯微流体通道超声5分钟充分清洗，真空干燥5小时后，取出待用；取20mL Tris-HCl缓冲溶液，将2mg/mL的多巴胺溶解在其中，将干燥后的微流体通道板浸入24小时后，取出用去离子水漂洗三次，真空干燥后待用；配4％的1000、2000、10000、100000、300000分子量的聚氧化乙烯水溶液，将干燥后的预处理过的微流体通道板浸入24小时，取出用去离子水漂洗三次，干燥即可。
实施例3
相比较于实施例2，本实施例将步骤一修改为采用15mg·L-1的臭氧预处理15分钟，具体操作为：将洁净的聚苯乙烯微流体通道材料放置在容器中，将浓度为15mg·L-1臭氧气体缓慢流过，表面接触活化，保持反应时间15分钟。
将实施例2和实施例3的微流体通道材料在水接触角仪中一个样品测试6个不同为位置，3个样品为一组，统计获得水接触角。结果如图1所示，多巴胺预处理获得的表面的水接触角可控范围在20-85°，采用臭氧处理的表面水接触可控范围为60-85°。由此可见，本申请方法可以实现在微流体通道板表面制备润湿性梯度，并且可以实现两种不同精度的控制。具体而言，采用臭氧氧化的预处理方案，可以控制在5°左右作为一个梯度的高精度。并且水接触角为60-85°在工业应用中常见的润湿性要求范围。采用多巴胺的预处理方案，可以控制在12°左右作为一个梯度。两者相结合，能够微流体通道润湿性方面实现多样化的方案。
实施例4：将聚苯乙烯微流体通道超声5分钟充分清洗，真空干燥5小时后，取出待用；取20mL Tris-HCl缓冲溶液，将2mg/mL的多巴胺溶解在其中，将干燥后的微流体通道板浸入24小时后，取出用去离子水漂洗三次，真空干燥后待用；配4％的300000、100000和10000分子量的聚氧化乙烯水溶液，将其300000分子量的聚氧化乙烯水溶液滴在微流体通道板的时控区，100000分子量的滴在微流体通道板的加样区，10000分子量的滴在微流体通道板的微球区上，反应24小时后，取出用去离子水漂洗三次，干燥。这种方法可以在微流体通道板上不同区域形成不同的润湿性，典型的表面修饰后的微流体通道板表面的润湿性如图2所示。
实施例5：将聚甲基丙烯酸甲酯微流体通道板超声5分钟充分清洗，真空干燥5小时后，取出待用；取20mL Tris-HCl缓冲溶液，将2mg/mL的多巴胺溶解在其中，将干燥后的微流体通道板浸入24小时后，取出用去离子水漂洗三次，真空干燥后待用；配8.2％的300000、10000和2000分子量的聚氧化乙烯水溶液，将其300000分子量的聚氧化乙烯水溶液滴在微流体通道板的时控区以及废液通道区，10000分子量的滴在微流体通道板的微球区，2000分子量的滴在微流体通道板的微球区上，反应24小时后，取出用去离子水漂洗三次，干燥。这种方法可以在微流体通道板上不同区域形成不同的润湿性。
实施例6
相比较于实施例4，本实施例将步骤一修改为采用25mg·L-1的臭氧预处理30分钟。其余操作同实施例4.
实施例7
相比较于实施例5，本实施例将步骤一修改为采用10mg·L-1的臭氧预处理45分钟。其余操作同实施例5。
实施例8
相比较于实施例5，本实施例将步骤一修改为采用5mg·L-1的臭氧预处理45分钟。其余操作同实施例5。
实施例9
相比较于实施例5，本实施例将步骤一修改为采用80mg·L-1的臭氧预处理25分钟。其余操作同实施例5。

Claims (10)

1.一种在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)微流体通道板材料表面预处理，制备表面活化的微流体通道板材料；
(2)将活化预处理后的微流体通道板材料与不同分子量聚氧化乙烯的水溶液进行嫁接反应，得到不同润湿性梯度的微流体通道板材料；
(3)将嫁接后的微流体通道板材料清洗去除残留反应物，真空干燥即得。
2.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(1)中，对微流体通道板材料表面进行活化预处理的方法选用多巴胺预处理方法，活化微流体通道板材料表面获得亲水性吸附活性位。
3.根据权利要求2所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，所述多巴胺浓度0.5-40mM。
4.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(1)中，对微流体通道板材料表面进行活化预处理的方法选用臭氧氧化处理，处理时间为10-60分钟，臭氧浓度为2-80mg·L-1。
5.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不同分子量聚氧化乙烯包括1000、2000、10000、100000、300000分子量的聚氧化乙烯。
6.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述聚氧化乙烯的水溶液浓度为0.8-8.5％。
7.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(2)的嫁接反应在空气中进行，20～30℃反应6-48小时。
8.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，所述微流体通道板材料为二甲基硅氧烷，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯或聚酯。
9.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述清洗是指在常温下使用去离子水洗涤3-8次后，再在去离子水中超声清洗5-10min。
10.根据权利要求1所述的在微流体通道板表面制备润湿性梯度的方法，其特征在于，所述获得的改性表面稳定，采用多巴胺预处理其表面的水接触角可控范围在20-85°，实现微流体通道表面润湿性的粗调；采用臭氧氧化预处理其表面的水接触角可控范围在60-85°，实现微流体通道表面润湿性的细调。
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