大家好！今天我们来了解一种在生物医学工程中具有重要应用的材料——聚二甲基硅氧烷，简称PDMS。PDMS具有许多优异的特性，如良好的光学、电学和机械性能，生物相容性等，使其在生物医药领域得到广泛应用。它可用于制造微芯片、生物模型、血液模拟物以及医疗植入物涂层等。然而，PDMS也存在一些局限性，如疏水性等问题。接下来，我们将详细探讨PDMS的特性、应用及相关研究进展。
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一、引言
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种在生物医药领域有广泛应用的弹性体聚合物，具有多种优异特性，如生理惰性、抗生物降解性、生物相容性、化学稳定性、透气性、良好的机械性能、优异的光学透明度和通过复制模具简单制造等。PDMS在微泵、导管表面、敷料、微阀、光学系统、疾病体外研究、植入物、微流体和光子学等领域都有应用。此外，软光刻技术的发展推动了PDMS在微机电系统（MEMS）和微流体组件中的应用。
二、PDMS特性
2.1 优点
光学、电学和机械性能：PDMS具有光学透明性，在390nm至780nm波长范围内的透射率可达75-92%，折射率为1.4，热导率为0.2-0.27W/m - K，比热容为1.46kJ/kg・K，介电强度为19kV/mm，介电常数为2.3 - 2.8，体积电阻率为2.9x10^14ohm・cm，杨氏模量为360-870kPa，泊松比为0.5，抗拉强度为2.24-6.7MPa，硬度为41-43Shore A，粘度为3.5Pa・ s，接触角约为108°±7°，熔点为-49.9至-40℃。
生物相容性和可降解性：PDMS具有生物相容性，与生物组织兼容，且可在自然环境中快速降解。
其他特性：PDMS 具有化学惰性、热稳定性、透气性，能保护电子元件免受环境因素和机械冲击，可复制亚微米特征以开发微结构，呈现超弹性行为，类似于生物组织。
2.2 缺点
疏水性：PDMS表面具有疏水性（接触角与水约为108°±7°），这在一些应用中会限制其使用，例如在由生物样本组成的溶液中。
与试剂的相互作用：PDMS与某些试剂结合时会膨胀，在微通道中，其疏水性会导致对极性液体流动的阻抗，使定量分析实验变得困难，并且小分子的吸收会影响实验结果。
三、PDMS 制造过程
最常用的商业PDMS是Sylgard®184硅橡胶弹性体套件，由单体和固化剂通常以 10:1 的重量比混合。将化合物混合并脱气以防止形成微气泡，然后将PDMS溶液倒在主模具上并在烤箱中固化。
固化时间取决于烤箱温度和 PDMS 样品的大小，温度越高，固化时间越短。例如，在 25℃下固化需要48小时，在100℃下需要35分钟，在125℃下需要20分钟，在150℃下需要10分钟。对于非常特定的应用和复杂几何形状，通常建议在室温下进行固化至少48小时。
此外，单体和固化剂的混合比例可以改变，这会导致一些性能的变化，如机械性能、光学性能和气体渗透性等。
四、PDMS 表征方法
扫描电子显微镜（SEM）：允许测量 PDMS 样品的厚度并进行定性表征，例如可用于观察 PDMS 微通道的结构。
重量分析（Gravimetry）：基于重力技术量化 PDMS 样品重量的变化，可用于验证 PDMS 在化学浸泡后是否发生降解。
测角法（Goniometry）：通过在 PDMS 表面滴微小水滴并测量接触角来获取表面亲水性信息，可验证 PDMS 在某些处理后润湿性是否发生变化。
纳米压痕（Nanoindentation）：提供了研究PDMS最外层机械性能的可能性，该层由于不同的处理（如UV照射）而容易受到破坏。
拉伸试验（Tensile test）：允许测量PDMS的杨氏模量，杨氏模量可能会受到应用于PDMS的处理、硬化温度和时间以及用于制造PDMS样品的混合比的影响。
X射线光电子能谱（XPS）：基于光电效应的技术，可用于识别材料的元素组成，可验证PDMS在接受任何处理后表面组成是否发生变化。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）：用于获取PDMS样品的红外吸收或透射光谱，可检查某些处理对PDMS交联的影响。
五、PDMS 微制造
技术：PDMS通过软光刻和旋涂等常用微制造技术进行图案化，软光刻是一组使用图案化弹性体作为印章、模具或掩模来生成微图案的技术。
材料选择：PDMS因其低界面自由能、不随湿度膨胀、良好的热稳定性、光学透明度、各向同性和均匀性等突出性能，是该过程中最广泛使用的弹性体。
亲水改性：由于PDMS的疏水性，在一些应用（如细胞培养、免疫测定和生物分子分离）中需要对其表面进行亲水改性。例如，当需要接种内皮细胞时，PDMS表面的亲水改性对于成功接种至关重要。氧气等离子体是最常用的增加PDMS表面亲水性的处理方法，因其处理时间短、操作简单且不影响PDMS透明度，但效果会在几分钟内消失。为了实现有效和持久的处理，可将表面活化与共价表面功能化相结合，如Zhao等人提出的先进行氧气等离子体处理，然后涂覆两性离子聚（甲基丙烯酸酯）共聚物（PMGT）的方法，可将PDMS 的水接触角从108°降低到30°，持续至少200小时。
灭菌：大多数生物医学应用需要灭菌，常用的灭菌方法（如乙醇清洗、紫外线照射和蒸汽高压灭菌）对PDMS疏水性影响不大，但蒸汽高压灭菌会增加储存模量和极限拉伸应力。
六、PDMS应用
6.1 PDMS基微芯片
实例：Schöning 等人开发了一种PDMS/玻璃分离微芯片，基于典型的半导体兼容生产方法，简化了电泳基生物传感器的设置。PDMS层通过复制模具制造，然后切割部分SPE通道，用薄玻璃盖片密封，最后与MISPE整体毛细管柱耦合形成最终芯片。
优点：PDMS用于制造微芯片具有成本低、易于制造、光学透明和弹性等优点，使其成为制造微芯片的理想材料。
6.2 PDMS生物模型用于血液动力学研究
心血管疾病研究：PDMS可用于制造微芯片来分析样本，也可用于复制心血管血流，以更好地理解和研究心血管疾病，如动脉瘤。例如，研究人员使用PDMS开发了一种颅内动脉瘤模型，以模拟血管的机械行为，从而更好地理解动脉瘤的形成和发展机制。
微通道几何形状：矩形微通道是通过软光刻技术获得的最常见几何形状，具有生成精确、可重复和多功能微通道、精确控制实验参数和准确测量、成本低、简单快速等优点，但与体内微血管的几何形状不同，在实现稳定的细胞接种方面存在困难。圆形微通道可通过多种方法制造，如线铸技术、部分固化PDMS与热空气膨胀成型相结合、结合软光刻和正性光刻胶的回流现象等，但这些方法也存在一些局限性，如难以制造完美的圆形通道、控制工艺复杂等。
测量技术：为了更好地研究心血管疾病，需要将PDMS微设备与合适的测量技术相结合。例如，Rodrigues等人提出使用数字图像相关（DIC）方法来研究体外模型中的小位移。
6.3 PDMS基血液模拟物
血液模拟物的发展：最初的血液模拟物是由甘油和水或黄原胶在甘油和 / 或水中稀释组成的简单流体，但这些流体无法研究微观尺度上的不同流动现象。因此，近年来开发了含有不同刚度、形状和大小的微粒的颗粒状血液模拟物。
PDMS微粒的应用：PDMS由于其独特的机械性能，可用于生产柔性的PDMS微粒，以用于血液模拟物中。例如，Muñoz-Sánchez等人通过使用不同的比例（基础/固化剂）生产了PDMS微粒，并通过流变学测量证明了其能够再现绵羊红细胞的稳定剪切粘度曲线。Choi等人和Lopez等人分别提出了通过两注射器膜乳化技术和流聚焦技术来生产PDMS微粒的方法。
6.4 PDMS 基医疗植入物涂层
应用背景：医疗植入物通常由生物医学级金属（如钽、锆、铌、钛及其合金）制成，但这些材料在血液相容性、骨传导性和生物活性方面存在一些限制。PDMS因其生物相容性和疏水性而被广泛研究用于整合医疗植入物。
Tavakoli等人通过在PDMS-SiO2涂层中嵌入CuO纳米颗粒，提高了涂层的抗菌特性和耐腐蚀性。
七、结论和展望
PDMS 在生物医学应用中有许多优势，如光学透明、易于制造、成本低和气体渗透性等，但疏水性在制造和生物应用中带来一些限制，可通过简单快速的亲水处理来克服。目前缺乏大规模制造PDMS的工业流程，且现有的PDMS亲水处理方法需要进一步改进和发展，以实现更高的永久性亲水特性。PDMS在复制心血管系统方面有很大的应用潜力，在医疗植入物应用中也发挥着重要作用，未来需要继续研究大规模生产PDMS基设备的方法，并改进亲水处理技术。
参考文献：
Miranda I, et al. Properties and Applications of PDMS for Biomedical Engineering: A Review. J Funct Biomater. 2021 Dec 21;13(1):2.