多层微流体芯片的制备及多功能仿生集成初探-高分子化学与物理专业论文.docxVIP

东华大学 硕士学位论文 东华大学 硕士学位论文 多层微流体芯片的制备及多功能仿生集成初探 万方数据 万方数据 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。 i 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。 关键字：多功能，微流体芯片，丝素蛋白，动态调控，纺丝 ii FABRICATION OF MULTI-LAYER MICROFLUIDIC CHIP AND PRIMARY MULTIFUNCTION INTEGRATION IN THE BIOMIMIC CHIP ABSTRACT Animal silks have been a focus of research for their excellent mechanical properties and high efficiency, environmentally friendly spinning process. The main methods to fabricate the regenerated animal silks are wet spinning, dry spinning or electrospinning, which are difficult to adjust the polymer composition and structure during the spinning. With the development of microfluidic technology, researchers have found that spinning apparatus of animal at micron scale can be regarded as a microfluidic device. This provides a new route to improve the biomimic degree. In this paper, we designed a 3-dimensional complex