超疏水非光滑表面的設(shè)計與制作及其血液相容性和流體減阻的初步研究.pdf

1、近年來，與水的接觸角大于150。的超疏水表面引起了人們極大的關(guān)注，因為它在自清潔材料、微流體裝置以及生物材料等許多領(lǐng)域中有著極其重要的應用前景。最典型例子就是自然界中的荷葉表面，水滴在葉面上可以自由滾動，能夠?qū)⒏街谌~面上的灰塵等污染物帶走，從而使表面保持清潔。 固體表面的疏水性不僅是由材料表面的化學性能決定的，更是由于表面的粗糙微細結(jié)構(gòu)引起的。本文從超疏水性角度出發(fā)，根據(jù)超疏水的仿生設(shè)計理論：Wenzel理論和Cassie理論

2、分析超疏水的發(fā)生條件，針對周期性正方形柱列微細結(jié)構(gòu)，設(shè)計出適當?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)參數(shù)，制備出超疏水性表面，并將實際測得的接觸角數(shù)據(jù)與理論值進行了分析比較。為了能使超疏水性保持穩(wěn)定，要求在滿足加工制作的前提下，正方形柱列結(jié)構(gòu)要求有更小的間距和更大的深度。 作為一種新型的微圖形復制技術(shù)，軟刻蝕技術(shù)用彈性模替代傳統(tǒng)光刻技術(shù)中使用的硬模來產(chǎn)生微圖案結(jié)構(gòu)。和傳統(tǒng)的光刻技術(shù)相比，軟刻蝕法有許多技術(shù)方面的優(yōu)勢：能夠應用于多種不同材料和化學表面之上；能

3、制造復雜的三維結(jié)構(gòu)，甚至能在不規(guī)則曲面上應用；能突破光刻技術(shù)100nm的限制，實現(xiàn)更為精細的微加工等等。目前，軟光刻技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于光學、生物技術(shù)、微電子、傳感器以及微全分析系統(tǒng)的加工諸領(lǐng)域，取得了一定的進展。 本論文較為系統(tǒng)地介紹了軟刻蝕技術(shù)的基本理論與其關(guān)鍵技術(shù)，其中著重將軟刻蝕中具有代表性的復制模塑法引入到周期性正方形柱列微細結(jié)構(gòu)的非光滑表面的加工制備之中。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為加工材料制作出軟刻蝕中的核心元件—

4、—彈性印章，用于圖形的轉(zhuǎn)移與復制。用復制模塑法進行柱列微圖案的轉(zhuǎn)移，得到了規(guī)整的周期性柱列微細結(jié)構(gòu)。光學顯微照片、掃描電鏡照片和輪廓儀照片顯示復制模塑法制備的柱列微圖案清晰而均勻，表面平整無缺陷。 利用復制模塑法制備出微米級正方形柱列結(jié)構(gòu)和亞微米級光柵結(jié)構(gòu)，通過動態(tài)凝血時間、溶血率和血小板粘附實驗，初步研究了不同疏水性表面和微細結(jié)構(gòu)對血液相容性的影響。超疏水性表面能夠顯著延長動態(tài)凝血時間，而對于溶血率則略有幫助，疏水性的提高，使

5、溶血現(xiàn)象略有下降，并且所有的PDMS樣品表面的溶血率均在5％以下。表面血小板粘附實驗表明，光滑表面吸附的血小板數(shù)量最多，有明顯的聚集與變形；在微米級的柱列表面，隨著疏水性的提高，吸附的血小板明顯減少，幾乎都不發(fā)生形變、聚集；特別是在亞微米的光柵結(jié)構(gòu)表面，血小板呈單個狀態(tài)，沒有變形與激活，這表明合適的表面潤濕性和微結(jié)構(gòu)尺寸能夠有效抑制血小板與材料表面反應，抑制凝血過程。流體的管道輸送減阻、節(jié)能降耗一直是流體力學研究的熱點之一。近年來的研究

6、表明，超疏水性的表面對流體流動過程中的阻力有很大影響。在本論文中，利用飛秒激光在硅片上刻蝕加工出20x20mm的周期性溝槽微結(jié)構(gòu)，得到一系列的微米．微米級結(jié)構(gòu)的表面，在經(jīng)過硅烷化處理后都達到超疏水性狀態(tài)。利用AR-G2流變儀研究了60％的甘油水溶液在此超疏水性非光滑表面的流動情況，證明超疏水性非光滑表面的確能夠有效減小流體流動時表面摩擦，通過計算，適當粗糙度的超疏水表面的最大滑移長度約為220μm，在超疏水表面存在的表面滑移現(xiàn)象使流體在