微流控器件向大规模生产的转变在各个领域都具有巨大的潜力。本文详细阐述了微流控产业中的各种材料，包括硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和热塑性塑料，并探讨了它们的特性和生产工艺。
参考文献：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11647665/
1. 硅：通常用于端到端模式
1) 材料
硅是一种不透可见光的半导体材料，具有高弹性模量（130–180 GPa）、高热导率和良好的生物相容性。
其机械强度使其适用于制造坚固精细的微流控芯片，而生物相容性使其在数字聚合酶链式反应（dPCR）等生物检测中表现优异。
硅基微流控芯片可用于构建便捷的 dPCR 设备，实现快速且低成本的数字诊断。
目前，硅常用于软光刻中作为 PDMS 微流控芯片的模具材料，但其对可见光的不透明性限制了其在荧光检测和流体成像中的应用。
2) 制造
硅和玻璃是早期微流控器件常用材料，拥有成熟的光刻、刻蚀和沉积工艺，如各向异性湿法刻蚀、反应离子刻蚀（RIE）和深反应离子刻蚀（DRIE）。
但这些工艺依赖高端设备与技术，导致硅和玻璃微流控芯片成本远高于聚合物芯片，因此尽管硅在早期广泛应用，其使用受限于高昂成本。
3) 粘合
阳极键合通常用于图案化硅晶片与玻璃晶片之间的连接，过程需在高温（180°C 至 500°C）和高电压（100 至 1250 V）下进行。
此时，玻璃中的钠离子向阴极迁移，在界面形成强电场，从而使硅与玻璃表面紧密结合。
2. 玻璃：通常用于端到端模式
1) 材料
玻璃因其良好的透光性、低荧光背景、化学和物理稳定性、生物相容性、低非特异性吸附及不透气性，在微流体应用中具有诸多优势。
其光学透明性使其广泛应用于细胞和颗粒的可视化、光流体检测及微芯片电泳（μCE）；化学稳定性使其适用于高压高温下的化学分析，如超临界流体色谱（SFC）；超薄玻璃的柔性适合微传感器与微型阀门/泵的构建；玻璃的生物相容性也使其适用于cell culture和分析。
2) 制造
玻璃因其高弹性模量，在制造工艺上与硅相似，常通过氢氟酸（HF）进行各向同性湿法刻蚀。
但该工艺存在成本高、处理时间长、环境要求严格及粘合困难等问题，导致玻璃微流控芯片的成本通常高于聚合物芯片。
3) 表面改性
玻璃基底易于羟基化，且羟基具有长期活性，可用于包括硅烷化在内的多种功能化方法.
通过硅烷化，可将生物分子共价固定在微流控通道上，构建稳定高效的生物界面。
4) 粘合
玻璃基微流体装置可采用多种键合技术，其中阳极键合适用于硅与玻璃之间的连接；而玻璃-玻璃键合通常需表面活化处理。
未经活化的镜面抛光玻璃仅能承受约0.6 MPa的剪切应力，经O₂等离子体处理后可提升至5 MPa，氮气微波辐射可进一步提高至29.7 MPa；低温下使用钙溶液处理也能实现高场强键合。
另一种常用方法为熔融键合，其对玻璃厚度无限制，且不依赖等离子设备，通过化学处理、低压和退火实现永久结合。
3. PDMS：通常用于研发阶段
1) 材料
PDMS 作为微流体材料具有高光学透明度、低自发荧光、良好生物相容性、低毒性、易成型、低弹性模量和透气性等优点，其柔软性使其适用于如 Quake 阀门等多种应用。
2) 制造
PDMS 通常通过软光刻技术制造，该方法依赖高精度模具即可实现纳米/微米结构的微流控芯片。
模具一般由传统光刻工艺制成，即在硅晶片上使用 SU-8 负性光刻胶形成微通道结构。
该工艺使实验室能自主生产芯片实验室（LOC）设备，并通过多层堆叠构建复杂结构，如 Quake 阀门和 3D 微流体系统。
但1–2 小时的固化时间显著延长了 PDMS 的制备周期。
3) 表面处理
表面处理常用于改善 PDMS 的表面性能，其中氧等离子体是最常用方法，可引入亲水性官能团，但易因低聚物迁移而发生疏水逆转。
紫外线处理虽然速度较慢，但可实现更深层次改性，且不损伤材料，操作更安全。
化学气相沉积（CVD）可用于在微通道内形成具有抗吸附性的 PEO 涂层，具有良好附着力且适用于多种基底。
溶胶-凝胶法因低温和高孔隙率，适合制备薄膜，有助于离子传输；而在电极和 PDMS 表面施加玻璃涂层则可增强结合强度、耐化学性和重复使用耐久性。
4) 粘合
表面处理常用于提高聚合物的表面能，其中氧气或空气等离子体是最常用的 PDMS 层键合方法，活化后通常需加热以增强键合强度。
在多层软光刻中，常采用“非比例键合”技术，利用 PDMS 由基体与交联剂组成的特性，实现可控的层间粘接。
4. 热塑性塑料：通常用于工业化阶段
1) 材料
a) PS
聚苯乙烯（PS）具有光学透明性、生物相容性、惰性和刚性，表面易于功能化，且其天然疏水性可通过等离子体处理转化为亲水性，并可维持长达四周，显著优于 PDMS。
作为细胞培养常用材料，PS 在细胞生物学中的某些应用方面优于 PDMS。
b) 聚甲基丙烯酸甲酯
PMMA 是一种常用于微流体系统的低成本聚合物，具有良好的光学透明度（从可见光到紫外光）、生物相容性和气体不渗透性，且在较低温度下易于加工。
尽管其疏水性较低且透气性不如 PDMS，限制了在生物培养中的应用，但 PMMA 可在高温下分解回收为 MMA，具备良好的环保性能。
c) PC
PC 具有光学透明性、生物相容性、惰性、高强度、抗冲击性、低吸湿性和良好加工性，并具备极高的软化温度，适用于 DNA 热循环等高温应用。
PC 常用于包括 PCR 在内的生物医学分析中。
d) COC
COC 是一种新型聚合物，具有优异的光学性能、生物相容性、高化学耐性、低吸湿性、高热稳定性和尺寸稳定性，且对紫外线透明，适用于集成电路与生物测定。
但COC 材料相对较脆、热扩散率低，且表面疏水，易引发非特异性蛋白和细胞吸附，因此不适合用于药物研究中的生物组织或液体接触应用。
e) 其他聚合物
许多其他聚合物用于制造微流体系统，包括聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA)、热塑性聚氨酯 (TPU)、聚醚醚酮 (PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚氯乙烯 (PVC)、特氟龙等。
2) 制造
a) 热压印
热压印是一种通过施加温度和压力复制微米级结构的常用技术，可分为板对板和卷对卷两类。
近年来，如 EDEN TECH 等公司采用环氧树脂复制硅模具并结合 Sublym 热压印机，实现了更低成本和更简便的芯片生产。
相比注塑成型，热压印设备成本更低，复精度更高，且因压印温度较低，残余应力和收缩率小，适合中等规模生产（约100–1000件/月）。
b) 注塑成型
注塑成型因成本低、周期短、自动化程度高、可同时成型本体与表面结构，成为微流控芯片大规模生产的首选。
尽管工艺复杂且受多参数影响，但其复制性强，适用于多种聚合物材料（如 PS、COC、PMMA、PC、PEEK）。
提高模具温度可显著改善成型质量，脱模过程则可通过化学剂或机械装置实现。
3) 粘合
a) 热粘合
热键合通过将热塑性材料加热至接近或高于其玻璃化转变温度，并施加压力以实现牢固连接，适用于多种材料如 PC、PMMA 和 COC。
该工艺对加热温度敏感，可能影响微结构精度，通常在洁净室中使用可编程设备或高通量辊压机完成。
b) 溶剂粘合
溶剂键合因其低成本、高光学透明度、快速低温处理和高键合强度而被广泛应用，其原理是在溶剂作用下聚合物分子链在界面间交缠形成强结合。
常见溶剂分布方式包括移液、喷涂和浸泡，亦可通过等离子处理或紫外照射提升键合质量，蒸汽沉积有助于获得均匀沉积并避免通道堵塞与变形。
c) 局部焊接
局部焊接通过集中能量在特定区域实现芯片键合，常用方法包括超声波和激光焊接。
超声波键合利用高频振动在接触区域产生局部熔化，具有低温、快速、高强度等优点，但可能引起聚合物收缩和能量分布不均。
激光焊接则需上层材料透明、下层吸收激光才能有效熔化，键合强度可达 6 MPa，适用于精密微流控器件的高效连接。
d) 表面处理和改性
热塑性材料的表面改性方法与 PDMS 类似，主要包括物理和化学处理。
物理方法如等离子体和紫外处理可提高 COC、PMMA、PEEK 等材料的亲水性，或通过特定气体如 CYTOP-聚苯胺或 HFTTCS 实现疏水性调控。
紫外处理还可在 COC 和 PS 表面引入生物功能化层并改善外观。
化学改性则通过试剂如 APTES、TESPSA 和 TMSPMA 增加表面能或增强键合强度，提升微流体器件的性能。
e) 粘合剂粘接
胶粘剂粘合因其快速、简便和成本效益高，在热塑性材料批量加工中广泛应用。
可选用液态胶粘剂（如紫外固化胶、环氧胶、热熔胶、PMMA 溶液等）或干性胶膜（如压敏胶带），后者因工艺简单、可靠性高且更易控制堵塞风险而更受欢迎。
为避免液态胶堵塞微通道，常采用旋涂、接触印刷、毛细输送和选择性压印等方法精确施胶，从而提高粘合质量和成品率。
f) 微波粘合
微波键合利用微波选择性加热界面导电层，实现热塑性材料的局部熔化与高效键合，具有堵塞风险低、设备成本低等优势。
为提升工艺效果，可通过丝网印刷、毛细力引导等方式引入导电聚合物（如聚苯胺）或金/铬金属层。
5. 其他制造方法
1) 激光烧蚀
激光烧蚀通过高强度激光聚焦蒸发材料，可用于多种聚合物（如 PMMA、COC、PS、PC、PET 和 PDMS）及部分玻璃材料的加工。
根据波长和脉冲持续时间分类，激光烧蚀具备高精度、加工快速、无污染和材料适应性强等优点。
2) 3D 打印
3D 打印（增材制造）通过 CAD 设计并逐层构建结构，广泛用于微流控芯片制造，因其可直接构建复杂 3D 结构，避免繁琐的层叠与对准。
主要技术包括熔融沉积成型（FDM）、立体光刻数字光处理（DLP）、双光子聚合（2PP）和多喷射成型（MJM）。
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