1. 引言：微流控芯片材料选择的核心痛点与技术革新
微流控芯片作为 Lab-on-a-chip 技术的核心载体，已广泛应用于生物分析、细胞培养、药物筛选等领域，其材料选择直接影响器件性能与应用场景。目前市场上主流的微流控芯片材料包括 PDMS、玻璃、PMMA 等，其中 PDMS 芯片因低成本、易加工的优势占据主导地位，但在光学透明度、热稳定性和化学惰性方面难以满足高端应用需求。玻璃微流控芯片凭借优异的刚性、透光性和生物相容性，成为 MEMS 加工、器官芯片、3D 细胞培养芯片等高端场景的首选，但传统玻璃键合技术的复杂性一直制约其规模化应用。
传统玻璃键合需依赖 400℃以上高温热键合、氧气等离子体处理或 piranha 溶液清洗等工艺，不仅需要专用设备和专业技能，还会破坏微通道内的生物分子或细胞，且键合过程不可逆，导致芯片无法重复使用。这些痛点使得玻璃微流控芯片虽性能优越，却难以普及。近期，一项新型玻璃 – 玻璃可逆键合技术的出现，彻底打破了这一行业瓶颈，为微流控芯片的创新发展提供了全新解决方案。
2. 核心技术：玻璃 – 玻璃可逆键合的原理与工艺
1) 技术核心流程
本研究提出的玻璃 – 玻璃可逆键合技术，流程简洁且条件温和，核心分为两步：首先采用 5% 中性洗涤剂对硼硅玻璃、钠钙玻璃或熔融石英基板进行 60 分钟超声清洗，经流水冲洗后去除表面吸附的化学物质和颗粒杂质；随后在清洗后的基板表面放置 2μL 水滴（或采用全表面湿法键合），通过绑定夹施加压力（每夹 16N，共 6 个绑定夹），室温（湿度 40% 左右）下静置即可完成键合。
图1 室温下使用中性洗涤剂清洁玻璃表面进行玻璃-玻璃湿法键合的概念及应用。(a) 湿法键合的步骤。在这些步骤中，水被用作键合前经洗涤剂清洁的玻璃的键合剂。玻璃部件在室温下通过长尾夹施加的压力固定。在用作微流控装置后，玻璃部件可通过湿刀片分离并重复使用。每个步骤的上排为整体视图，下排为横截面视图。(b) 该键合方法的应用。将细胞悬液滴放置在开放式微通道上，然后通过键合玻璃部件封闭液滴。在微通道中培养细胞后，分离玻璃部件以收集细胞。每个步骤的上排为整体视图，下排为横截面视图。
2) 化学机制与性能参数
该技术的核心化学机制基于玻璃表面 SiOH 基团的脱水缩合反应。表面分析显示，中性洗涤剂清洗后的玻璃表面 SiOH/SiO 比例达 0.66，远高于氧气等离子体处理（0.44）、piranha 溶液清洗（0.51）和单纯水洗（0.74 但杂质残留多），高比例的 SiOH 基团为玻璃间形成稳定 Si-O-Si 共价键提供了基础。
性能测试表明，该技术键合 6 小时后，芯片耐压性能突破 600kPa，与传统高温热键合（630℃，1 小时）性能相当，完全满足微流控芯片的实际工作需求；键合面积可达 98.1%，仅需绑定夹即可实现，无需专用压合设备，大幅降低了加工门槛。
图2 不同条件下玻璃表面的溅射中性质谱（SNMS）结果。（a）未处理的玻璃表面，（b）仅用水冲洗的玻璃表面，（c）用洗涤剂清洁的玻璃表面，（d）用食人鱼溶液清洁的玻璃表面，（e）用氧等离子体清洁的玻璃表面。（f）每种表面条件下的SiOH/SiO比值。
3) 可逆性实现与重复利用
该技术最突出的优势在于可逆性：使用湿剃刀即可轻松分离键合的玻璃基板，分离后经中性洗涤剂清洗可再次键合。实验验证，同一组玻璃基板重复键合 / 分离 34 次后，仍保持 98% 以上的键合面积和 600kPa 的耐压性能，彻底解决了传统玻璃微流控芯片不可重复使用的痛点，显著降低了器件制作成本。
图3 通过所述湿法键合方法制造的玻璃微流控器件。（a和b）玻璃-玻璃键合区域。箭头指示未键合的区域。黑色标尺代表1厘米。（a）经中性洗涤剂清洗后再用水冲洗制成的玻璃微流控器件照片。（b）仅通过水冲洗制成的玻璃微流控器件照片。（c和d）玻璃-玻璃键合的耐压性研究。（c）用于本研究的玻璃微流控器件。该玻璃微流控器件具有主通道和迂回通道。通过向主通道施加压力来注入水。通道干燥时呈白色，湿润时呈透明状。持续向主通道施加压力，将水刚要泄漏到迂回通道时的压力值定义为耐压性。（d）每种键合工艺的耐压性。玻璃微流控器件的制造方式为（空心圆）中性洗涤剂清洗、（红色矩形）熔融键合或（蓝色三角形）水冲洗。橙色虚线表示Yamashita等人报道的方法所制玻璃微流控器件的耐压性57。误差线表示标准误差。实验次数如下：中性洗涤剂清洗并键合1小时：\(n=8,3\)；2小时：9ae46076-ff1a-40f0-945b-600f3bdb0d3；6小时：\(n=5\)、\(n=10\)；24小时：\(n=3\)。熔融键合：\(n=1\)。水冲洗：\(n=1\)。（e）用刀片分离键合的玻璃部件。（f）经过10次键合/分离循环的玻璃-玻璃部件的键合面积。三组相同的玻璃部件被反复用于一系列测量。每个带有标准误差的数据点为\(n=3\)。（g）不同键合时间和循环次数下玻璃-玻璃键合的耐压性。键合前，玻璃部件用中性洗涤剂清洗。夹子加压键合的时间为（黑色矩形）1小时、（空心红色圆）3小时、（蓝色三角形）4小时和（黑色圆）6小时。每个数据点为\(n=1\)。
3. 技术优势：对标传统工艺的行业突破
1) 温和条件，适配生物兼容性需求
与传统工艺相比，该技术无需高温、危险化学品或专用设备，室温操作即可完成键合，避免了热键合导致的芯片变形和等离子体处理对生物分子的破坏。这一特性使其完美适配细胞培养、生物分子检测等场景，可在键合前预先在微通道内放置细胞悬液或生物试剂，实现 “先放样、后键合” 的灵活操作，为生物微流控芯片的制作提供了更大便利。
图4 水滴键合过程。（a）（上）玻璃部件表面状态示意图。（下）一对玻璃部件先用洗涤剂清洗，再用水冲洗后的照片。黑色标尺代表1厘米。（b）在玻璃通道上放置黑色墨水液滴作为样本。在蚀刻玻璃板的边缘放置了6滴2微升的水，用虚线圆圈标记。（c）将蚀刻玻璃板与普通玻璃板贴合。（d）用长尾夹固定玻璃部件。
2) 兼容主流加工技术，拓展应用边界
该技术可与 MEMS 加工、光刻、表面修饰等主流微流控芯片加工技术无缝衔接。通过光刻胶模具、PDMS 模具可在玻璃基板上制备复杂微通道结构，配合亲水修饰、疏水修饰技术实现微通道内液体精准控制；与电子束光刻、深硅刻蚀等技术结合，可拓展至纳米流体器件、高精度传感器等高端场景，适配肝器官芯片、肺器官芯片、血脑屏障芯片等特殊需求器件的制作。
3) 低成本高适配，助力规模化量产
传统玻璃微流控芯片因加工流程复杂、设备成本高，难以实现规模化生产。而该技术仅需中性洗涤剂、绑定夹等常规耗材，键合过程无需专业技能，配合微流控芯片定制服务可快速响应不同场景需求。同时，芯片的可重复使用特性进一步降低了单次实验成本，使其在科研和工业生产中均具备极高的性价比优势。
4. 核心应用场景：从细胞培养到高端器件制作
1) 细胞培养与回收：再生医学的关键支撑
基于该键合技术的细胞培养芯片，可实现 C2C12 成肌细胞、3T3 成纤维细胞、HeLa 细胞等多种细胞的共培养。通过 PDMS 池供应培养基，在 37℃、5% CO₂环境下培养 10 天后，细胞仍保持良好的活性与分化能力（C2C12 细胞成功分化为肌管并表达肌球蛋白）。更重要的是，利用键合的可逆性，可直接分离玻璃基板回收培养后的细胞，转移至培养皿中继续培养 10 天仍能正常增殖，这一特性为肿瘤类器官芯片、干细胞培养芯片的构建提供了全新方案，解决了传统微流控芯片细胞难以回收的痛点。
图5 通道中诱导的细胞培养和分化。(a) 用于细胞培养和分化的微流控装置示意图。(b) 包含C2C12和3T3细胞的玻璃微流控装置照片。(c和d) (c) C2C12细胞和(d) 3T3细胞在通道中培养1天后的显微照片。(e和f) 分别为C2C12细胞和3T3细胞在通道中培养4天后的显微照片。(g和h) (g) C2C12细胞和(h) 3T3细胞在通道中培养10天后的显微照片。(i和\(j)\) 肌球蛋白染色的(i) C2C12细胞和(j) 3T3细胞的荧光图像。黑白条分别表示1厘米和200微米。
图6 三种细胞从玻璃微流控装置转移到培养皿中。（a）玻璃微流控装置的照片，其通道内含有细胞。（b–d）（b）C2C12细胞、（c）3T3细胞和（d）HeLa细胞在通道内培养4天后的显微照片。（e–g）培养皿的照片。每个培养皿中含有一种转移的细胞。（h–j）（h）C2C12细胞、（i）3T3细胞和（j）HeLa细胞转移后在培养皿中培养10天的显微照片。黑色标尺代表200 μm。
2) 器官芯片与 3D 细胞培养：精准医疗的核心载体
该技术与微纳加工、表面修饰技术结合，可构建肝器官芯片、肺器官芯片、血管器官芯片等高端器件。通过在玻璃微通道内构建三维微环境，模拟人体器官的生理结构，为药物筛选、疾病模型构建提供更精准的平台。例如，在血管器官芯片中，可实现内皮细胞与平滑肌细胞的共培养，形成功能性血管结构，且通过可逆键合可回收细胞进行后续分子生物学分析，为再生医学研究提供关键技术支撑。
3) 多领域拓展：从科研到工业应用
除生物医学领域外，该技术还可拓展至环境检测、食品安全、化学合成等场景。与液滴微流控、数字微流控技术结合，可实现单细胞分析、污染物快速检测、微量化学反应等功能；适配微流控芯片检测仪、PCR 芯片等设备，可构建便携式分析系统，满足现场检测需求。此外，该技术兼容 PMMA 芯片、COC 芯片等其他材料的复合键合，进一步拓展了应用边界。
5. 行业影响与未来展望
该玻璃 – 玻璃可逆键合技术的出现，将推动微流控芯片行业向低成本、高适配、可重复的方向发展。传统玻璃微流控芯片因加工复杂导致的高价格、低普及率问题，有望通过该技术得到根本解决，加速玻璃芯片在 MEMS 加工、器官芯片、3D 细胞培养等领域的替代应用。
未来，通过与微流控芯片定制服务、光刻机设备、微纳加工平台的深度融合，有望实现玻璃微流控芯片的规模化量产，降低器官芯片、3D 细胞培养芯片的市场门槛。同时，其可逆性和生物相容性优势，将加速微流控技术在再生医学、精准医疗领域的应用，例如构建可回收细胞的肿瘤类器官芯片、用于干细胞培养的三维细胞培养芯片等。随着技术的不断优化，该方法还可与电子束光刻、深硅刻蚀等技术结合，拓展至更多交叉领域，为微流控芯片行业的创新发展注入新动力。
作为微流控芯片行业的技术革新，玻璃 – 玻璃可逆键合技术不仅解决了传统工艺的核心痛点，更搭建了材料性能与应用需求之间的桥梁，未来有望成为高端微流控芯片制作的标准工艺，推动行业向更高效、更环保、更具性价比的方向迈进。
参考文献：DOI: 10.1039/d1lc00058f
顶旭微控产品（标准玻璃芯片）
| 产品编号 | 外形 （mm） | 宽度 （um） | 高度 （um） | 厚度 （mm） | 芯片材质 | 价格 （CNY） |
| J0001 | 22.5*15 | 105&300 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0002 | 22.5*15 | 105 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0003 | 22.5*15 | 105&300 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0004 | 22.5*15 | 105 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0005 | 22.5*15 | 105 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0006 | 22.5*15 | 105 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| J0007 | 22.5*15 | 450 | 50 | 2+2 | BF270 | 1000 |
| 夹具 | / | / | / | 铝 | 1500 |
本公司也可提供特性化的微流控玻璃芯片加工服务，具体详情，欢迎来电咨询+86-17751163890（同微信），邮箱:sale@dxfluidics.com
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