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                    生物芯片應用非晶合金模具制作

                    添加時間:2018/11/05 來源:華中科技大學 作者:何建軍
                    用非晶合金模具成形出結構完整的 PMMA 微流槽基片;研究了溫度和應變速率對熱壓成形工藝的影響,探索出非晶合金成形時流變特性和其成形能力之間的關系,并通過對微型詩歌和微風扇的熱壓成形實驗進行了驗證。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      微流控芯片是生物芯片中最受關注的一類,在生物醫學中有著廣泛的應用。在微流控芯片的制備技術中,高分子聚合物是最合適的基片材料,其制備過程一般采用熱壓印、模塑及注塑成形方法將陽模的微結構復制到聚合物基片上。目前所采用的陽模如電鑄鎳模、硅模、SU-8 模及陽極氧化鋁模等存在生產耗時長、材質易碎、使用壽命低等諸多問題。而非晶合金的優異力學性能,化學性能及過冷液態區的超塑性,使其不僅具有高強度、高硬度、良好的耐腐蝕、耐磨性,且具有優異的成形性能。將其作為高分子聚合物成形陽模,將能解決現有模具存在的諸多問題。

                      本研究瞄準生物芯片應用市場,首先設計出具有微流槽結構的微型模尺寸圖,然后加工掩膜版,并利用在硅表面干法蝕刻出陰母模。采用銅模吸鑄法制得Zr35Ti30Be26.75Cu8.25塊體非晶合金,并進行熱力學及結構表征。采用熱壓成形的方法在 370℃、1×10-3s-1條件下熱壓成形 Zr35Ti30Be26.75Cu8.25非晶合金,獲得結構完整的非晶合金微流槽模具。采用 SEM 對非晶合金與硅模的界面進行微觀分析,發現沒有任何明顯間隙存在。采用 DEFORD-3D 軟件對熱壓成形過程進行模擬。并采利用Hagen-Poiseuille 理論進行計算。獲得與實驗結果一致的理論結果:在此熱壓成形條件下,較低的成形應力就可以實現非晶合金微流槽模具的精密復制。

                      考慮到溫度和應變速率是影響非晶合金熱壓成形時材料的流動特性的主要因素。本文接下來研究了 Zr35 Ti30 Be26.75 Cu8.25塊體非晶合金在不同溫度和應變速率下單軸壓縮變形行為,結果發現,在一定溫度下,隨著應變速率的增加,Zr35 Ti30 Be26.75 Cu8.25非晶合金的流動特性出現了由牛頓流變非牛頓流變的轉變。在相同的溫度和應變速率下,本研究對 Zr35 Ti30 Be26.75 Cu8.25非晶合金進行熱壓成形,采用SEM 對成形后微流槽模具的完整性和成形高度進行分析,獲得非晶合金的流動特性與成形能力之間的關系。并采用 DEFORD-3D 軟件對不同流動特性下的熱壓成形進行模擬,得到與實驗一致的結果:非晶合金在牛頓流變狀態下具有較好的微成形能力,但非牛頓流變不利于成形。

                      考慮到模具尺寸增大將可能對熱壓成形工藝及成形件質量造成影響。本文最后對大尺寸微陣列模具分別在常規熱壓、熱壓成形時保壓和增加夾具對材料流動進行約束三種條件下的成形能力進行了研究。結果發現:增加邊框約束并進行保壓時,可以成形出結構完整的微陣列模具。

                      關鍵詞:非晶合金;過冷液態區;超塑性;微成形;精密復制;

                    Abstract

                      Microfluidic chip is one of the most studied in biochips, which has aroused increasing interest in biological and medical sciences. In the progress of this technology, polymers have been proven to be the most suitable substrate materials for microfluidic devices. Such polymer devices are often fabricated by replicating a master mould through hot embossing, casting or injection moulding methods. Currently, various materials such as electroformed nickel, silicon, SU-8 and anodic aluminum oxide (AAO) have been used for the thermo-mechanical replication of polymers. However, there were some problems.

                      For example, the production process is time consuming, brittle, low life. Bulk metallic glass has superior properties, such as high strength and hardness, high Young’s modulus, high corrosion and wears resistance. If the bulk amorphous alloys as a master mold, it will be one of the most important ways to solve these problems.

                      In this work, we design a microchannel pattern for the application of biochip, which has been obtained by dry etching. The Zr35 Ti30 Be26.75 Cu8.25bulk metallic glass, which has been prepared by copper mold casting, has been hot-embossed on the silicon master mould under a appropriate condition (temperature:370℃、strain rate:1×10 -3 s -1 ). The cross section of the hot-embossed topography was observed by scanning electron microscopy (SEM), and the results revealed that there is no discernible gap at the interface between the silicon and the metallic glass. The simulations were performed using commercial software DEFORM 3D to reveal the micro-scale hot-embossing process. The theoretically forming pressure and the maximum filling length were calculated according to the Hagen-Poiseuille law. Both experimental and theoretical results demonstrated that the microchannel features can be accurately replicated under the hot-embossed conditions with a low flow stress.

                      As we know that both temperature and strain rate significantly affect the flow characteristics of the material in the hot-embossing process. So, the uniaxial compression deformation behaviors of Zr35 Ti30 Be26.75 Cu8.25bulk metallic glass under different temperature and strain rates have been studied. The result show that there exists flow characteristics change from Newtonian flow to Non- Newtonian flow at a certaintemperature with the strain rate increase. The Zr 35 Ti30 Be26.75 Cu8.25bulk metallic glass microchannel mould has been fabricated through hot embossing under the corresponding temperature and strain rates. The simulations were performed using commercial software DEFORM 3D to reveal the micro-scale hot-embossing process at different rheological state. Both experimental and simulation results demonstrated that BMGs have better micro-formability in Newtonian flow.Finally, the effect of holding pressure and constraints to the formability in the large-size micro-array hot-embossing has been studied in this thesis. It has been found that the large-size micro-array can be fabricated when compelled after increasing holding pressure and constraints.

                      Key words: Metallic glass; Supercooled liquid region; Superplastic; Microforming;Precision replication

                     

                      生物芯片[1]

                      是指通過微加工和微電子技術在固相基質表面構建微型生物化學分析系統,用來實現對蛋白質、核酸、細胞和其他生物分子等進行準確、快速、高通量檢測。隨著微機電加工技術的發展,生物芯片的應用得以迅速發展,尤其在生物醫學領域的應用。生物芯片一般分為:基因芯片、蛋白質芯片、芯片實驗室。其中基因芯片和蛋白質芯片是發展較成熟的且較早應用的,芯片實驗室的出現較晚,但其將是生物芯片發展的最終目標,尤其是芯片實驗室中微流控芯片的發展。

                      基因芯片是通過將待測樣品與芯片中已知堿基DNA片段進行互補雜交,從而來確定基因表達的量和性質。已經在基因表達、基因突變檢測、DNA測序、病毒檢測、指紋圖譜等方面進行應用。如Guo[2]

                      等利用結合在玻片上的等位基因特異性寡核苷酸芯片建立了簡單快速的基因多態性分析方法;Mayanil[3]

                      等利用寡核苷酸芯片發現了Pax3基因的下游作用靶基因;Dooley[4]等利用微陣列從完整厚度病理標本中鑒定了炎癥性腸病的潛在生物標記。蛋白質芯片應用原理是基于蛋白質分子間、蛋白質分子與小分子間的相互作用,可應用于蛋白質差異表達、蛋白質檢測、蛋白質修飾、抗體檢測、疾病診斷、細胞型分類等方面。Bulyk[5]等建立了雙鏈寡核苷酸芯片,可進行DNA結合蛋白質的特性與鑒定的研究;Tomlison[6]等發展了一種抗體微陣列技術,可以高通量篩選重組抗體;Austen B[7]研究小組發展了一種能夠定量檢測體液或組織提取液中的β-淀粉多肽的方法;Rowe[8]等開發了一種以熒光為基礎的微陣列免疫傳感器,可用于生理水平細菌和蛋白霉素的檢測。

                      芯片實驗室是一個跨學科的新領域,實現化學分析系統從試樣處理到檢測的整體微型化、自動化、集成化與便攜化。其中微流控芯片[9]是以微通道為形成網絡,控制流體貫穿整芯片系統。其在藥物篩選、臨床診斷、干細胞研究等方面有重要應用。

                      Cabrera和Yager[10]建立了一種利用區帶電泳和等電聚焦在無載體溶液中進行細菌濃縮的方法;Sato[11]等基于夾心免疫分析法制備出了一種可以用在臨床診斷的微流控裝置,該裝置系統使用3個抗體和一個配有熱鏡頭的顯微鏡來進行檢測。同為了避免血清樣品中蛋白質的吸附,裝置中采用了生物相容的聚合物來涂覆石英芯片的微通道。

                      正是由于生物芯片具有以上特點,因此在醫學領域具有廣泛應用前景,并已引起了國際社會的關注和重視,世界各國紛紛投入對生物芯片的研發,如美國在1998年就率先啟動了生物芯片計劃。隨著研發的進行,生物芯片商業化的實現也逐漸推進。國內外興起許多生物芯片生公司。表1-1 列舉了國內外一些進行生物芯片研究的公司及其主要研究方向。

                      隨著世界各國在生物芯片領域的大量投資和深入研究,生物芯片得以迅猛發展。但生物芯片的發展是以芯片制備方法和技術的改進為動力的。對不同類型的生物芯片,其制備方法不盡相同,如:

                      基因芯片和蛋白質芯片來說主要采用原位合成[12 ,13]和預合成后點樣[14,15]。原位合成利用光引導合成技術,適用于寡核苷酸和寡肽的合成。預合成后點樣是將提取或合成好的寡核苷酸、寡肽、蛋白質或 DNA 片段通過點樣機直接點在芯片上。

                      芯片實驗室的制備,以微流控芯片為例,其制備過程主要包括材料選擇、微結構設計、微加工及表面修飾等步驟。目前作為微流控芯片的材料主要有單晶硅片、石英、玻璃、有機高分子聚合物(如,聚甲基丙烯酸甲酯:PMMA;聚二甲基硅氧烷:PDMS;聚碳酸酯:PC)。其中單晶硅、石英、玻璃芯片主要采用光刻和蝕刻技術進行微加工,基本過程包括涂膠、曝光、顯影、腐蝕和去膠等步驟。而有機高分子聚合物材質的芯片制作技術不同于玻璃類芯片,主要有模塑法、注塑法、LIGA法、熱壓法、軟蝕刻等。

                      模塑法[16]主要是針對高分子聚合物材質的芯片制作,它的制作過程一般是:先采用光刻和刻蝕的方法制出陽模,然后再澆注液態的高分子聚合物材料,最后將固化的高分子聚合物材料與陽模剝離,從而得到具有微通道的芯片。

                      注塑法[17]過程是先將原料置于注射機中,然后將原料加熱至熔融溫度,讓其成為流體,最后將其壓入設計有一定結構的模型中,待冷卻后脫模得到芯片。其對模具的要求高,模具制作工藝復雜,周期較長。

                      LIGA 技術[18]由是先采用光刻,將掩膜板上的設計圖案轉移至光刻膠上,然后電鍍,是將光刻得到的光刻膠圖形上的間隙用金屬填充,從而形成與光刻膠圖形凹凸互補的金屬凹凸版圖,再將基底材料和光刻膠除掉,就可以得到鑄塑用的金屬模具,將高分子聚合物注入得到的金屬模具腔體內,硬化后就得到與掩膜結構相同的高分子聚合物芯片。通最常用的塑鑄材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。LIGA 技術對設備要求很高,生產費用昂貴。

                      熱壓法是一種應用廣泛的快速復制微結構的芯片制作技術,其過程是將聚合物基片與模具對準加熱并施加一定壓力得到具有微觀結構的芯片。與其他制備方法相比,熱壓法具有工藝簡練,設備簡單,操作方便,成本較低等優點,適合進行大批量生產。如:Martynova[19]等人利用 50?m 金屬絲為陽模具,在聚甲基丙烯酸甲酯的軟化溫度以上熱壓成形得到 PMMA 微通道;Elders[20]等人通過干法蝕刻制得含有微凸起通道的蝕刻硅模,然后利用硅模進行電鑄金屬模具或壓印成形聚合物。

                    非晶合金在不同溫度
                    非晶合金在不同溫度

                    非晶合金
                    非晶合金

                    各條件下微流槽成形高度曲線圖
                    各條件下微流槽成形高度曲線圖

                    各個條件成形時的真實應力-應變曲線及應變敏感指數圖
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                    非晶合金在牛頓流變
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                    應變速率分別
                    應變速率分別

                    目 錄

                      摘 要
                      Abstract
                      1 緒 論
                        1.1 生物芯片概述
                        1.2 非晶合金熱塑性微成形的國內外動態分析
                        1.3 本文的主要研究內容
                      2 生物芯片的結構設計、硅模加工及樣品制備
                        2.1 生物芯片微結構的設計
                        2.2 硅模加工
                        2.3 非晶合金樣品制備
                      3 非晶合金微流槽模具的精密復制
                        3.1 引言
                        3.2 實驗方法
                        3.3 結果及討論
                        3.4 本章小結
                      4 微成形過程中材料的流動特征與成形能力研究
                        4.1 引言
                        4.2 實驗方法
                        4.3 結果及討論
                        4.4 本章小結
                      5 大尺寸非晶合金陣列模具的熱壓印成形
                        5.1 實驗方法
                        5.2 保壓對非晶合金陣列模具熱壓印成形的影響
                        5.3 夾具對非晶合金陣列模具熱壓印成形的影響
                        5.4 尚存問題及可能解決辦法
                      6 全文總結與展望
                        6.1 全文總結
                        6.2 工作展望
                      致 謝
                      參考文獻
                      附錄 攻讀碩士學位期間發表的論文和專利

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