发布时间 : 星期五 文章微流控芯片材料PDMS表面改性更新完毕开始阅读b716d95879563c1ec5da71fa
微流控芯片材料PDMS表面改性
第 11 页
图3-4 PDMS表面枝接聚乙二醇（PEG）
3.3.2 实验结果和表征
衰减全反射傅立叶红外光谱测试结果[12] 表明（图3-5），相对于PDMS，PDMS-H样品在2166cm-1处出现了一个明显的吸收峰，此为Si-H键的伸缩振动峰，这说明Si-H键已成功引入PDMS表面。
利用Si-H官能团与不饱和化合物在过渡金属铂所组成的催化体系下进行的硅氢加成反应可在红外测试分析结果表明（图3-5），当PDMS表面Si-H官能化后，该表面在2166cm-1处出现一个明显的Si-H吸收峰。但经过硅氢加成反应接枝PEG后，2166 cm-1处的吸收峰消失，取而代之的是2873cm-1，和3500cm-1处的两个新的吸收峰。其中2873cm-1处的吸收峰为PEG中的-CH2-O-的特征峰，而3500 cm-1处的吸收峰则为PEG末端羟基的特征峰。Si-H键特征峰的消失和PEG两个新特征峰的出现表明，PEG已成功接枝到PDMS的表面。
图3-5 PDMS表面接枝PEG各步反应的反射式红外图谱
图3-6反映的是接枝PEG前后膜片表面纤维蛋白原吸附量及水接触角的变化[12] 。由于纤维蛋白原是生物医学领域中用以评价材料生物相容性的一种常见蛋白质，故本
微流控芯片材料PDMS表面改性
第 12 页
实验选用纤维蛋白原为模型蛋白以定量研究蛋白质在样品表面的吸附状况；而表面亲疏水性的改变也可在一定程度上定性分析材料表面化学组分的变化。从这些结果可以看出，未改性的PDMS膜片表面能低并呈现疏水性，水接触角达107.20°；这种低表面能的疏水性表面能引起明显的非特异性蛋白质吸附，纤维蛋白原的吸附量达0.47μg/cm2。而聚乙二醇则具有良好的亲水性，在水溶液环境中接枝到表面的PEG分子链能通过快速的运动使其具有较大的排斥体积，从而能有效的排斥非特异性的蛋白质吸附。故接枝PEG以后水接触角下降到60.5°，纤维蛋白原的吸附量则骤降至0.028μg/cm2。蛋白质吸附量及水接触角的显著下降进一步表明PEG已成功接枝到PDMS表面。
图3-6 枝接PEG前后膜片表面纤维蛋白原吸附量及水接触角的变化
3.3.3 枝接PEG抗蛋白质吸附机理
随着对蛋白质污染问题研究的不断深人，研究者们开始探索抗蛋白质吸附材料的抗蛋白质吸附机理，，从而最终指导抗蛋白质吸附材料的设计与合成。然而，由于蛋白质在材料表面的污染是个复杂的过程，材料的表面性质，包括表面基团的化学组成、亲疏水性、电荷、材料表面水分子状态、表面自由能和表面张力、表面能分量、表面分子运动以及表面粗糙度等，都有可能影响材料的抗蛋白质吸附性能，加之蛋白质分子结构的复杂性，目前为止尚未建立得到广泛认可的抗蛋白质吸附机理，有时得出的机理会不完全一致甚至相互矛盾。但是，人们也根据实验事实提出了一些假说，下面主要介绍一下普遍得到认可的空间位阻理论、水化层理论以及表面电荷理论。
其中表面电荷理论着重于静电作用，由材料表面、蛋白质的电荷性质、溶液pH和
微流控芯片材料PDMS表面改性
第 13 页
溶液离子强度共同影。实用于解释PDMS表面枝接PEG抗蛋白质吸附机理只有空间位阻理论、水化层理论。 （1）空间位阻理论
PEG是常见的具有优异抗蛋白质吸附性能的聚合物。PEG分子的抗蛋白质吸附机理通常用空间阻力模型来解释。这种模型认为，PEG分子能迅速形成水化聚合物链，具有很大的排除体积，从而防止蛋白质到达PEG表面。当蛋白质分子接触PEG表面并发生粘附时，会在较大程度上压缩PEG链的排除体积，PEG分子构象受到限制，是一种嘀减的不稳定状态（如图3-7所示）。这种大的排除体积也来自于PEG链在水溶液中良好的运动性，PEG链的快速运动使得蛋白质等大分子不容易发生不可逆粘附。空间位阻理论得到了研究者们的普遍认可，被广泛用来解释PEG的抗蛋白质吸附现象。实验和分子模拟证明PEG的抗蛋白质吸附能力取决于PEG链在材料表面的密度和长度。PEG分子的表面覆盖度越大，链段越长，其抗蛋白质吸附效果越理想。然而对这一结果也存在着一定的争议，有人用单链平均场（SCMF）理论证明表面覆盖度是决定PEG抗蛋白质吸附能力的最主要因素，而PEG链长对抗蛋白质吸附效果影响不大。
图3-7 抗蛋白质吸附的位阻排斥理论
（2）水化层理论
水化层理论认为，抗蛋白质吸附材料首先与水分子发生作用，紧密结合相当数量的水分子形成水化层，成为蛋白质在表面吸附的屏障；蛋白质要在材料表面吸附，必须突破这层屏障。另外，蛋白质高级结构的维持需要水分子来参与必要氢键的形成，而抗蛋白质吸附表面则能吸附水分子，不会影响到蛋白质分子内部和表面的水分子，从而有效维持了蛋白质分子的三维结构。
微流控芯片材料PDMS表面改性
第 14 页
参考文献
[1] H Becker, C G?rtner. Polymer microfabrication methods for microfluidic analytical applications.
Electrophoresis, 2000, 21(1): 12-26.
[2] 蓝悠等. 微流控芯片技术在蛋白质分析中的应用进展[A]. 化学研究与应用，2007, 19(4):
345-350.
[3] 曾湖烈等, 聚二甲基硅氧烷高聚物微流控芯片的制作与功能性修饰及其在手性分子识别中的
应用. 高等学校化学学报, 2004, 25: 43-44.
[4] J. Cooper McDonald, George M.Whitesides *.Poly(dimethylsiloxane) as a Material for Fabricating
Microfluidic Devices. Acc.Chem.Res., 2002, 35 (7): 49-499.
[5] 李艺, 程时. 蛋白质在固体表面吸附的研究进展, 高分子通报, 2007, 3:41-49. [6] 马春风. 抗蛋白吸附聚合物的合成与性质[D]. 中国科学技术大学. 2010.
[7] 干锦波.生物材料表面拓扑结构与蛋白质、细胞相互作用的研究[D]. 武汉理工大学, 2011. [8] 宋巍. 聚合物表面拓扑结构对蛋白质吸附、细胞黏附的影响[D]. 武汉理工大学, 2008. [9] Jinwen Zhou, Dmitriy A.Khodakov, Amanda V.Ellis, Nicolas H.Voelcker*. Surface modification for
PDMS-based microfluidic devices[J]. Electrophoresis, 2012, 33: 89-104. [10] [11] [12]
郑小林等. PDMS表面修饰方法的研究进展[A]. 材料导报, 2009, 23(8): 5-8.
姚树寅等. PDMS真空紫外光表面亲水改性研究[J]. 湖北大学学报, 2012, 32(2): 188-191. 肖锡峰等. 聚乙二醇表面改性抑制蛋白质非特异性吸附[J]. 分析化学，2013, 41(3):
445-453.