超疏水非光滑表面的設(shè)計(jì)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?yàn)樗谧郧鍧嵅牧?、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(yīng)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(dòng)，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(xué)性能決定的，更是由于表面的粗糙微細(xì)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(jì)理論：Wenzel理論和Cassie理論

2、分析超疏水的發(fā)生條件，針對(duì)周期性正方形柱列微細(xì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)參數(shù)，制備出超疏水性表面，并將實(shí)際測(cè)得的接觸角數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)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(fù)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(shì)：能夠應(yīng)用于多種不同材料和化學(xué)表面之上；能

3、制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，甚至能在不規(guī)則曲面上應(yīng)用；能突破光刻技術(shù)100nm的限制，實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的微加工等等。目前，軟光刻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光學(xué)、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(jìn)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(fù)制模塑法引入到周期性正方形柱列微細(xì)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(fù)制。用復(fù)制模塑法進(jìn)行柱列微圖案的轉(zhuǎn)移，得到了規(guī)整的周期性柱列微細(xì)結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微照片、掃描電鏡照片和輪廓儀照片顯示復(fù)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(fù)制模塑法制備出微米級(jí)正方形柱列結(jié)構(gòu)和亞微米級(jí)光柵結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)態(tài)凝血時(shí)間、溶血率和血小板粘附實(shí)驗(yàn)，初步研究了不同疏水性表面和微細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)血液相容性的影響。超疏水性表面能夠顯著延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)凝血時(shí)間，而對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jí)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(gè)狀態(tài)，沒有變形與激活，這表明合適的表面潤(rùn)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(yīng)，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(xué)研究的熱點(diǎn)之一。近年來的研究

6、表明，超疏水性的表面對(duì)流體流動(dòng)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(jí)結(jié)構(gòu)的表面，在經(jīng)過硅烷化處理后都達(dá)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(dòng)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(dòng)時(shí)表面摩擦，通過計(jì)算，適當(dāng)粗糙度的超疏水表面的最大滑移長(zhǎng)度約為220μm，在超疏水表面存在的表面滑移現(xiàn)象使流體在