在微流控芯片技术快速发展的当下，PDMS（聚二甲基硅氧烷）凭借其优异的化学稳定性、高透光性和生物相容性，成为制作微流控芯片的核心材料。然而，PDMS 表面固有的疏水性导致生物样本非特异性吸附，极大限制了其在生物医学领域的应用。传统表面改性方法如等离子处理虽能暂时改善亲水性，但效果难以持久。近期，《Journal of Applied Physics》发表的一项研究提出了一种基于辐射诱导接枝的创新技术，为 PDMS 芯片的永久亲水改性提供了全新解决方案。
PDMS-g-PAA制备的示意图。
1. PDMS 芯片的表面改性困境与技术突破
PDMS 芯片在生物检测、细胞培养等领域的广泛应用，始终受限于其表面疏水特性。未经处理的 PDMS 表面接触角高达 116.6°，容易导致蛋白质、荧光染料等生物分子的非特异性吸附，干扰检测结果的准确性。目前，行业内常用的等离子处理虽能在短时间内将接触角降至 30° 以下，但由于 PDMS 分子链的迁移特性，亲水效果在数小时内便会失效，需立即使用，严重影响实验效率。
针对这一痛点，研究团队开发了辐射诱导接枝技术：通过高能射线引发 PDMS 表面产生自由基，促使丙烯酸（AA）单体在其表面发生共价接枝，形成聚丙烯酸（PAA）分子链。这种方法不仅能引入大量羧基（-COOH）等亲水基团，还通过化学键将亲水链段固定在 PDMS 表面，从根本上解决了传统方法的稳定性问题。实验数据显示，经优化后的改性 PDMS 表面接触角最低可达 27.1°，较原始表面降低约 90°，且在长期存储后仍能保持良好亲水性。
分子动力学模拟结果。（a）在原始PDMS表面（\((P=0.0 \%)\)）或具有不同COOH基团百分比的改性PDMS表面（\(= 33.3\%\)=33.3%、66.7%和100.0%）上，水滴的计算接触角与模拟时间的关系。虚线表示400-500皮秒内的平均接触角。（b）500皮秒时，分子动力学模拟中原始PDMS表面或改性PDMS表面上水滴的快照。红色和蓝色球体分别代表水分子中的氧和氢。黄色、粉色、青色和白色球体分别代表PDMS表面上的硅、氧、碳和氢。（c）在具有不同COOH基团百分比的PDMS表面上，水滴的接触角通过对400至500皮秒的模拟轨迹结果取平均值计算得出，误差棒代表标准偏差。蓝色和红色虚线分别代表丙烯酸接枝率为0.0%和149.5%时的实验结果。
2. 辐射诱导接枝的技术细节与性能优化
1) 工艺设计与关键参数控制
该技术的核心在于通过钴源辐射（20 kGy 剂量，17 小时）触发接枝反应。实验中，研究团队重点优化了丙烯酸浓度、铁离子催化剂用量等参数：当丙烯酸浓度为 25 wt.% 时，接枝率可达 149.5%，但过高的接枝率会导致 PDMS 表面产生肿胀，影响机械性能。因此，通过平衡单体浓度与接枝效率，最终选择 94% 的接枝率作为最优条件 —— 此时接触角降低 75°，且芯片的拉伸强度、柔韧性等机械性能未受显著影响。
（a）在相同辐射剂量（20 kGy）下，接枝率与溶液中丙烯酸浓度的关系。（b）接枝（PDMS-g-PAA）和原始（PDMS）PDMS芯片的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。（c）和（d）接枝及原始PDMS芯片的X射线光电子能谱（XPS）全谱和O 1s谱。
在加工设备方面，该工艺无需复杂的 PDMS 键合机、对准平台等精密仪器，仅需常规的辐射源和反应容器，降低了规模化生产的门槛。同时，与 MEMS 加工中的光刻、镀膜等工艺相比，辐射诱导接枝具有操作简单、反应条件温和的优势，更适合低成本批量制备。
2) 表面性能的多维度验证
图5. (a) 原始PDMS芯片表面的扫描电镜图像。(b)–(f) 不同接枝率的PDMS表面扫描电镜图像：(b) 4%，(c) 16.3%，(d) 34.5%，(e) 94%，(f) 149.5%。
（f）149.5%。图6.（a）原始PDMS芯片表面的AFM分析。（b）-（f）不同接枝率的PDMS表面的AFM分析：（b）4%，（c）16.3%，（d）34.5%，（e）94%
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析，改性后的 PDMS 表面出现了明显的 – OH（3500 cm⁻¹）和 C=O（1600-1800 cm⁻¹）特征峰，证实了羧基的成功引入。原子力显微镜（AFM）观察显示，表面粗糙度随接枝率提升先降低后升高，在 94% 接枝率时达到最佳平整度，有利于减少生物分子的物理吸附位点。
抗污性能测试中，HeLa 细胞在改性 PDMS 表面的吸附密度从 23.2 个 /mm² 降至 3.4 个 /mm²，表明亲水表面能有效抑制细胞黏附，这对器官芯片、3D 细胞培养芯片等应用至关重要。此外，经 121℃蒸汽灭菌和 90℃热循环处理后，改性表面的接触角仅小幅波动（39.5°-42.3°），证明其具备良好的 thermal stability，满足生物实验的严苛环境要求。
3. 技术优势与行业应用前景
1) 与传统技术的对比优势
相较于等离子处理，辐射诱导接枝的亲水效果具有永久性：实验显示，改性 PDMS 在存储 20 天后接触角仍稳定在 40° 左右，而等离子处理样本在 3 天后便恢复疏水状态。这一特性使其无需现场处理即可直接使用，大幅提升了 PDMS 芯片的实用性。
（a）水接触角（WCAs）随接枝率浓度的变化。（b）接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）和经等离子体辐照（120秒）的PDMS在不同储存时间下的水接触角（WCAs）。（c）原始PDMS和PDMS-g-PAA芯片表面上吸附的HeLa细胞密度。（d）和（e）分别为原始PDMS和PDMS-g-PAA芯片表面上吸附的HeLa细胞的代表性荧光图像。插图为吸附细胞的放大图像。
在光学性能方面，低接枝率（16.3%）的改性 PDMS 在可见光波段的透光率保持在 87.7%，仅比原始 PDMS 低 5.2%，满足荧光检测、光谱分析等对透光性要求较高的场景。而传统的表面涂层法往往会导致透光率大幅下降，限制了其在光学检测中的应用。
2) 拓展应用场景
该技术的突破为微流控芯片在多个领域的应用铺平了道路：
- 生物医学检测：在蛋白质分析、核酸检测等微流控芯片中，减少非特异性吸附可提高检测灵敏度，降低背景干扰；
- 器官芯片与类器官培养：亲水表面更接近生理环境，有利于细胞贴壁生长和功能维持，可用于肝芯片、肺芯片等仿生模型的构建；
- 即时检测（POCT）：改性后的 PDMS 芯片可直接与水溶液兼容，无需预处理，适合现场快速检测设备的集成。
结合行业内的 PDMS 加工设备（如浇筑器、打孔器）和微流控芯片设计平台，该技术可快速融入现有生产线，推动低成本、高性能微流控器件的产业化。
4. 结语：推动微流控技术向实用化迈进
辐射诱导接枝技术通过化学改性与工艺优化的结合，成功实现了 PDMS 芯片表面的永久亲水改性，解决了长期困扰行业的稳定性难题。其兼具高效性、经济性和兼容性的特点，不仅适用于实验室级别的精密制备，还能满足规模化生产需求。
随着微流控技术在医疗诊断、药物筛选、环境监测等领域的深入应用，这种创新改性方法将成为提升 PDMS 芯片性能的关键支撑，推动更多基于微流控平台的实用化设备走向市场。未来，通过与 3D 打印、纳米涂层等技术的融合，PDMS 芯片的功能将进一步拓展，为跨学科研究与产业升级提供更广阔的空间。
参考文献：https://doi.org/10.1063/5.0222071
顶旭微控产品（标准PDMS芯片）
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| 产品编号 | 外形 （mm） | 高度 （um） | 宽度 （um） | 厚度 （mm） | 芯片材质 | 价格 （CNY） |
| K0001 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0002 | 45*20 | 50 | 80&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0003 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0004 | 45*20 | 50 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0005 | 45*20 | 50 | 50&100&150 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0006 | 45*20 | 50 | 100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0007 | 75*25 | 100 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0008 | 52*25 | 100 | 100&150&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0009 | 35*24 | 100 | 100&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
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