3. 微流控芯片材料与加工基础
微流控芯片的材料选择不是“哪种便宜用哪种”，而是由芯片要完成的流体功能、细胞暴露方式、检测手段和量产规模共同决定的工程决策。PDMS、玻璃和热塑性塑料（PMMA、PC、COC、PS 等）在光学性能、透气性、刚性、耐溶剂性、加工成本和键合方式上差异显著，选型时必须先明确“细胞在芯片中处于什么状态、需要观察什么信号、芯片是一次性还是复用”。
一、三类材料的核心差异与选型依据
PDMS（聚二甲基硅氧烷）是实验室原型阶段最常用的材料。它通过软光刻从 SU-8 或硅模具复制微通道，最小特征尺寸通常可做到 10～50 μm，表面疏水（水接触角约 100°～110°），可通过等离子处理临时变为亲水。PDMS 的关键优势是透气性：氧气和二氧化碳可透过本体扩散，使封闭通道内的细胞培养不依赖额外气源，这对长期细胞捕获与灌注培养非常有利。但其缺点同样突出：PDMS 会吸收小分子疏水药物和荧光染料，导致浓度不可控；材料较软（杨氏模量约 0.5～3 MPa），高流速下通道易变形；且难以实现真正的高通量注塑量产。
玻璃（硼硅玻璃、石英）刚性高、光学透明性优异、耐绝大多数有机溶剂，表面化学可通过硅烷化精确修饰，适合需要高分辨率荧光成像、长期稳定灌注或涉及有机溶剂的实验。玻璃芯片的通道通常由湿法刻蚀、干法刻蚀或激光加工形成，再与另一片玻璃键合。其不足是加工成本高、脆性大、难以做出高深宽比结构，且不透气，细胞培养需依靠培养基溶解氧或外部供气。
热塑性塑料（PMMA、PC、COC、PS）适合从原型走向量产。它们可通过注塑、热压或辊对辊复制，单件成本低、批次一致性好、机械强度高。COC 和 PS 的光学透明性接近玻璃，且吸水率低、细胞相容性良好，是细胞分选芯片量产的常见选择。但热塑性塑料的键合温度较高，且部分材料在注塑过程中可能引入脱模剂或残留应力，需要评估对细胞的影响。
选型时可依据以下判断链：若实验处于原型验证阶段、需要快速迭代且细胞需长期培养，优先 PDMS；若需要高精度光学检测、耐溶剂或高压灌注，优先玻璃；若已进入中试或量产、要求一次性使用和低成本，优先热塑性塑料。实际项目中常采用混合方案，例如 PDMS 通道与玻璃基底键合，兼顾透气性与光学性能。
二、键合方法：从“封住通道”到“不伤细胞”
键合的核心目标是在通道周围形成可靠密封，同时不堵塞通道、不引入对细胞有毒的残留物。不同材料的键合窗口差异很大。
PDMS 与 PDMS/玻璃的等离子键合是最常见的实验室方法。将 PDMS 表面与玻璃或另一片 PDMS 经氧等离子处理 30～60 秒（功率 30～50 W，氧气流量约 20～30 sccm），表面生成硅羟基，贴合后形成不可逆的 Si—O—Si 键。操作要点是：等离子处理后需在 1～2 分钟内完成贴合，贴合后轻压排除气泡，再在 80 ℃ 烘箱中放置 15～30 分钟增强键合强度。若通道尺寸小于 20 μm，应避免过度按压导致塌陷。
玻璃与玻璃的热键合通常在 600～700 ℃ 下进行，使界面发生硅氧键缩合。键合前必须彻底清洗（RCA 清洗或 piranha 溶液），并在贴合后施加均匀压力。高温键合会破坏已修饰的分子层，因此表面化学修饰应在键合完成后进行。对于需要低温键合的场合，可采用氢氟酸辅助键合或阳极键合（玻璃与硅，300～500 ℃、500～1000 V）。
热塑性塑料的键合包括热压键合、超声键合和激光键合。热压键合温度通常控制在材料玻璃化转变温度附近，例如 PMMA 约 105 ℃、COC 约 130 ℃，压力 0.5～2 MPa，时间 5～15 分钟。温度过高会导致通道变形，温度过低则键合强度不足。超声键合适合局部键合，热影响区小，但需要设计能量导引结构。激光键合精度高，适合复杂通道，但设备成本较高。
无论采用哪种键合方式，键合后都应进行密封性检查：向通道内注入去离子水或荧光素溶液，在显微镜下观察是否有渗漏；也可通入压缩空气，将芯片浸入水中观察气泡。若发现渗漏，需重新清洗并调整键合参数。
三、细胞相容性评估：不能只看“细胞活着”
细胞相容性评估应覆盖材料本体、键合残留和表面处理三个层面。对于 PDMS，未固化低聚物可能释放到培养基中，建议固化后在 80 ℃ 下后烘 2 小时以上，并在使用前用培养基浸泡 24 小时。对于热塑性塑料，注塑脱模剂和残留单体是主要风险，可通过乙醇冲洗、等离子清洗或紫外臭氧处理降低。
评估实验通常包括：活死染色（Calcein-AM/PI）观察细胞存活率，贴壁 24 小时后存活率应不低于 90%；贴壁与铺展观察细胞形态，若细胞呈圆形且不铺展，说明表面过于疏水或存在毒性；增殖曲线通过 CCK-8 或 EdU 检测，比较芯片内与培养板中的倍增时间差异；功能指标如钙离子成像、分泌蛋白检测，用于确认细胞不是“活着但失能”。
以下是一份可直接参考的细胞相容性评估记录表，适用于芯片键合完成后的验收测试：
| 评估项目 | 方法 | 示例参数/条件 | 合格判断 |
|---|---|---|---|
| 细胞存活率 | Calcein-AM/PI 双染 | 贴壁 24 h，细胞密度 1×10⁶/mL | 存活率 ≥ 90% |
| 贴壁形态 | 相差显微镜观察 | 灌注 12 h，剪切力 0.1～0.5 dyn/cm² | 铺展面积与对照差异 < 20% |
| 增殖能力 | CCK-8 | 培养 48 h，每 24 h 检测 | 倍增时间与培养板差异 < 15% |
| 键合残留 | 培养基浸泡液细胞毒性 | 芯片浸泡 24 h 后取上清 | 细胞活性 ≥ 85% |
| 密封性 | 荧光素灌注/气泡法 | 流速 10～50 μL/min | 无渗漏、无气泡滞留 |
材料选型、键合与细胞相容性评估三者是联动的：选错材料会导致键合困难或细胞状态差；键合参数不当会引入毒性残留或通道变形；而细胞相容性数据又反过来验证选型和键合是否合理。实际工作中建议先做小尺寸芯片的键合与短期培养验证，再放大到目标通道结构，避免一次性投入大量加工成本。