Нестехиометрический тиол-еновый полимер
Нестехиометрический тиол-еновый полимер представляет собой полимерную платформу, содержащую нестехиометрические тиол-ены ( OSTE ) и нестехиометрические тиол-ен-эпоксидные смолы ( OSTE+ ).
Полимеры OSTE содержат нестехиометрические смеси тиолов и аллилов. После полной полимеризации, обычно посредством УФ-микроформования, полимерные изделия содержат четко определенное количество непрореагировавших тиоловых или аллильных групп как на поверхности, так и в объеме. Эти поверхностные анкеры можно использовать для последующей непосредственной модификации поверхности или склеивания. [1]
В более поздних версиях эпоксидные мономеры добавлялись для образования тройных тиол-ен-эпоксидных мономерных систем (OSTE+), где эпоксидная смола на втором этапе реагирует с избытком тиолов, создавая окончательное полимерное изделие, которое полностью инертно. [2] Некоторые из важнейших особенностей полимеров OSTE+ включают несложное и быстрое изготовление сложных структур в стандартных химических лабораториях, гидрофильные свойства собственной поверхности и ковалентное соединение посредством скрытой химии эпоксидной смолы. [3]
Разработка
[ редактировать ]Полимерные смолы OSTE были первоначально разработаны Томми Харальдссоном и Фредриком Карлборгом в группе Micro and Nanosystems. [4] в Королевском технологическом институте (KTH), чтобы преодолеть разрыв между исследовательским прототипированием и коммерческим производством устройств микрофлюидики . [1] Позднее смолы были адаптированы и улучшены для коммерческого применения шведским стартапом Mercene Labs AB под названием OSTEMER.
Механизм реакции
[ редактировать ]Смолы OSTE отверждаются посредством быстрой тиол-еновой реакции «Клик» между тиолами и аллилами. Тиолы и аллилы реагируют совершенно попеременно и имеют очень высокую степень конверсии (до 99%). [5] начальная нестехиометрия мономеров будет точно определять количество непрореагировавших групп, оставшихся после полимеризации. При правильном выборе мономеров можно достичь очень высоких показателей нестехиометрии при сохранении хороших механических свойств. [1]
Нестехиометрические тиол-эпоксидные смолы, или полимеры OSTE+, создаются в ходе двухэтапного процесса отверждения, при котором первая быстрая тиол-еновая реакция определяет геометрическую форму полимера, оставляя при этом избыток тиолов и всю эпоксидную смолу непрореагировавшей. На втором этапе все оставшиеся тиоловые группы и эпоксидные группы вступают в реакцию с образованием инертного полимера. [6]
Характеристики
[ редактировать ]Полимеры ОСТЭ
[ редактировать ]Основными преимуществами полимеров OSTE, отверждаемых УФ-излучением в микросистемах, были их i) способность к сухому связыванию за счет реакции полимера с избытком тиола со вторым полимером с избытком аллила при комнатной температуре с использованием только УФ-света, ii) их хорошая способность к связыванию. -определенное и настраиваемое количество поверхностных якорей (тиолов или аллилов), присутствующих на поверхности, которые можно использовать для прямой модификации поверхности. [7] и iii) их широкий диапазон настройки механических свойств от эластичных до термопластичных, зависящий только от выбора нестехиометрии. [8] [1] Температура стеклования обычно варьируется от температуры ниже комнатной для высоких нестехиометрических соотношений до 75 ° C для стехиометрической смеси тетратиола и триаллила. [9] Обычно они прозрачны в видимом диапазоне. Недостатком OSTE-полимеров является выщелачивание непрореагировавших мономеров в очень высоких нестехиометрических соотношениях, что может повлиять на клетки и белки в лабораториях на чипах. [1] хотя жизнеспособность клеток наблюдалась для клеточных культур с низким нестехиометрическим OSTE. [10]
Полимеры ОСТЭ+
[ редактировать ]Тиол-ен-эпоксидные смолы двойного отверждения, или полимеры OSTE+, отличаются от полимеров OSTE тем, что имеют две отдельные стадии отверждения. После первого этапа, инициированного УФ-излучением, полимер становится эластичным и легко деформируется. [11] и у него есть поверхностные анкеры для модификации поверхности. [12] На втором этапе, когда все тиолы и эпоксидные смолы вступают в реакцию, полимер затвердевает и может связываться с широким числом подложек, включая самого себя, посредством химического состава эпоксидной смолы. Преимуществами OSTE+ являются: i) их уникальная способность к интеграции и связыванию за счет скрытой химии эпоксидной смолы и низкие встроенные напряжения в тиол-еновых полимерах. [13] ii) их полная инертность после окончательного отверждения iii) их хорошие барьерные свойства [14] и возможность расширения производства с использованием промышленного литья под давлением. [15] Были продемонстрированы как жесткие, так и эластичные версии полимеров OSTE+, демонстрирующие их потенциал в микросистемах для клапанов и перекачивания, аналогичных компонентам PDMS, но с преимуществом выдерживания более высоких давлений. [11] Было показано, что коммерческая версия полимера OSTE+, OSTEMER 322, совместима со многими клеточными линиями. [16]
Изготовление
[ редактировать ]Полимеры ОСТЭ
[ редактировать ]Смолы OSTE можно отливать и отверждать в структурированных силиконовых формах. [1] или постоянный фоторезист с покрытием. [17] Полимеры OSTE также продемонстрировали превосходную способность к фотоструктурированию. [18] использование фотомасок, позволяющих, например, использовать мощные и гибкие капиллярные насосы. [19]
Полимеры ОСТЭ+
[ редактировать ]Смолы OSTE+ сначала отверждаются УФ-излучением так же, как и полимеры OSTE, но затем подвергаются термическому отверждению для придания жесткости и сцепления с подложкой.
Приложения
[ редактировать ]Лаборатория на чипе
[ редактировать ]OSTE+ позволяет создавать мягкую литографическую микроструктуру, прочное биосовместимое сухое соединение практически с любой подложкой во время производства в лаборатории на чипе (LoC), одновременно имитируя механические свойства термопластичных полимеров, что позволяет создавать настоящие прототипы коммерческих LoC. [20] Обычно используемые материалы для микрофлюидики страдают от громоздких этапов и часто неэффективных процессов склеивания, особенно при упаковке биофункциональных поверхностей, что делает сборку LoC сложной и дорогостоящей. [21] [22] Полимер OSTE+, который эффективно связывается с девятью различными типами подложек, не требует обработки поверхности перед склеиванием при комнатной температуре, имеет высокую Tg и обеспечивает хорошую прочность сцепления как минимум до 100 °C. [20] Более того, было продемонстрировано, что отличные результаты можно получить с помощью фотолитографии на полимере OSTE, что открывает более широкие возможности применения. [23]
Био упаковка
[ редактировать ]Биосенсоры используются для ряда биологических измерений. [24] [25]
Упаковка OSTE для биосенсорства была продемонстрирована для QCM, [26] и фотонные кольцевые резонаторные датчики. [27]
Склеивание пластин
[ редактировать ]Клеевое соединение пластин стало признанной технологией в области интеграции и упаковки микроэлектромеханических систем (МЭМС). [28] OSTE подходит для интеграции на уровне гетерогенных кремниевых пластин в зависимости от его применения в низкотемпературных процессах благодаря своей способности отверждаться даже при комнатной температуре. [29]
Импринтинг микроматриц и формирование рисунка поверхностной энергии
[ редактировать ]Импринтинг массивов с гидрофильными в гидрофобными микролунками стал возможен благодаря инновационному подходу репликации поверхностной энергии с помощью состава гидрофобного тиол-енового полимера. В этом полимере мономеры, содержащие гидрофобные фрагменты, самоорганизуются на гидрофобной поверхности печатного штампа, что приводит к образованию гидрофобной поверхности копии после полимеризации. После снятия штампа получаются микролунки с гидрофобными стенками и гидрофильным дном. Такая быстрая и недорогая процедура может быть использована в технологии цифровых микролунок для диагностических целей. [30] [31]
ОСТЭ сопротивление электронным лучам
[ редактировать ]Смола OSTE также может использоваться в качестве резиста для электронного луча, что приводит к созданию наноструктур, позволяющих осуществлять прямую функционализацию белков. [32]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Карлборг, Карл Фредрик; Харальдссон, Томми; Оберг, Ким; Малкох, Майкл; ван дер Вейнгаарт, Воутер (2011). «За пределами PDMS: мягкая литография на основе нестехиометрического тиол-ена (OSTE) для быстрого прототипирования микрофлюидных устройств» . Лаборатория на чипе . 11 (18): 3136–47. дои : 10.1039/c1lc20388f . ISSN 1473-0197 . ПМИД 21804987 .
- ^ Сахарил, Фариза; Карлборг, Карл Фредрик; Харальдссон, Томми; ван дер Вейнгаарт, Воутер (2012). «Биосовместимое соединение пластин «щелчком» для микрофлюидных устройств» . Лаборатория на чипе . 12 (17): 3032–5. дои : 10.1039/c2lc21098c . ISSN 1473-0197 . ПМИД 22760578 .
- ^ [1] Вастессон, Proc. Преобразователи IEEE 2013, Барселона, 408-411 (2013)
- ^ [2] МИКРОЖИДКОСТЬ И ЛАБОРАТОРИЯ НА ЧИПЕ
- ^ Хойл, Чарльз Э. (2010). «Химия тиол-енового клика». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (9): 1540–1573. дои : 10.1002/anie.200903924 . ПМИД 20166107 .
- ^ [3] Сахарил, Журнал микромеханики и микроинженерии 23, 025021 (2013).
- ^ [4] БИОМИКРОФЛЮИДИКА 6, 016505 (2012)
- ^ [5] Лафлер, Аналитик 138, 845-849 (2013).
- ^ [6] Архивировано 1 марта 2014 г. в официальном техническом описании Wayback Machine OSTE +.
- ^ [7] Эррандо-Эрранц, Proc. МикроТАС 2013 Фрайбург, (2013)
- ^ Jump up to: а б [8] Ханссон, Proc. IEEE MEMS 2014, Сан-Франциско (2014 г.)
- ^ [9] Чжоу, Proc. МикроТАС 2013 Фрайбург, (2013)
- ^ Хойл, Чарльз Э. (2004). «Тиол-ены: химия прошлого с перспективой на будущее». Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 42 (21): 5301–5338. Бибкод : 2004JPoSA..42.5301H . дои : 10.1002/pola.20366 .
- ^ [10] Сахарил, Журнал микромеханики и микроинженерии 23, 025021 (2013).
- ^ Сандстрем, Н.; Шафаг, Республика Зеландия; Вастессон, А; Карлборг, CF; Вейнгаарт, В ван дер; Харальдссон, Т (2015). «Реакционное литье под давлением и прямое ковалентное соединение полимерных микрофлюидных устройств OSTE+» . Журнал микромеханики и микроинженерии . 25 (7): 075002. Бибкод : 2015JMiMi..25g5002S . дои : 10.1088/0960-1317/25/7/075002 . S2CID 53682690 .
- ^ Наклейка, Драго; Ротбауэр, Марио; Лехнер, Сара; Хеэнбергер, Мария-Тереза; Эртл, Питер (24 ноября 2015 г.). «Многослойная, интегрированная в мембрану микрофлюидика, основанная на формовании точной копии тиол-енового эпоксидного термореактивного материала для применений «орган на чипе». Лабораторный чип . 15 (24): 4542–4554. дои : 10.1039/c5lc01028d . ISSN 1473-0189 . ПМИД 26524977 .
- ^ Фредрик, Карлборг, Карл; М., Кретич; Томми, Харальдссон; Л., Сола; М., Баньяти; М., Киари; Воутер, ван дер Вейнгаарт (1 января 2011 г.). Биостикеры: микрофлюидные наклейки с рисунком для быстрой интеграции с микрочипами . 15-я Международная конференция по миниатюрным системам для химии и наук о жизни. стр. 311–313.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Хиллмеринг, Микаэль; Простите, Гаспар; Вастессон, Александр; Супекар, Омкар; Карлборг, Карл Фредрик; Бранднер, Биргит Д.; Вейнгаарт, Воутер ван дер; Харальдссон, Томми (15 февраля 2016 г.). «Нестехиометрия улучшает фотоструктурирование тиол-енов за счет диффузионно-индуцированного истощения мономеров» . Микросистемы и наноинженерия . 2 : 15043. дои : 10.1038/micronano.2015.43 . ISSN 2055-7434 . ПМК 6444721 . ПМИД 31057810 .
- ^ Ханссон, Йонас; Ясуга, Хироки; Харальдссон, Томми; Вейнгаарт, Воутер ван дер (5 января 2016 г.). «Синтетическая микрофлюидная бумага: массивы полимерных микростолбиков с большой площадью поверхности и высокой пористостью» . Лабораторный чип . 16 (2): 298–304. дои : 10.1039/c5lc01318f . ISSN 1473-0189 . ПМИД 26646057 .
- ^ Jump up to: а б Сахарил, Фариза; Карлборг, Карл Фредрик; Харальдссон, Томми; Ван дер Вейнгаарт, Воутер (2012). «Биосовместимое соединение пластин «щелчком» для микрофлюидных устройств» . Лаборатория на чипе . 12 (17): 3032–3035. дои : 10.1039/C2LC21098C . ПМИД 22760578 .
- ^ Эддингс, Марк А.; Джонсон, Майкл А.; Гейл, Брюс К. (2008). «Определение оптимальной техники соединения ПДМС-ПДМС для микрофлюидных устройств» . Журнал микромеханики и микроинженерии . 18 (6). дои : 10.1088/0960-1317/18/6/067001 .
- ^ Калканджиев, К.; Риггер, Л.; Коссе, Д.; Уэлш, М.; Гуцвейлер, Л.; Ценгерле, Р.; Колтай, П. (2011). «Микрофлюидика в технологии кремния/полимера как экономичная альтернатива кремнию/стеклу» (PDF) . Журнал микромеханики и микроинженерии . 21 (2): 025008. Бибкод : 2011JMiMi..21b5008K . дои : 10.1088/0960-1317/21/2/025008 .
- ^ Простите, Гаспар; Сахарил, Фариза; Карлссон, Дж. Микаэль; Супекар, Омкар; Карлборг, Карл Фредрик; Ван дер Вейнгаарт, Воутер; Харальдссон, Томми (2014). «Быстрое производство микрофлюидных устройств без формования с надежными и пространственно-направленными модификациями поверхности» . Микрофлюидика и нанофлюидика . 17 (4): 773–779. дои : 10.1007/s10404-014-1351-9 .
- ^ [11] Homola, Chemical Reviews, 108 (2), 462–493, 2008 г.
- ^ [12] Карлборг, Proc. МикроТАС 2011 Сиэтл, 311–313 (2011)
- ^ [13] Сандстрем, Proc. Преобразователи IEEE, 2011 г., Пекин, 2778–2781 (2011 г.)
- ^ [14] Эррандо-Эрранц, Опт. Экспресс 21, 21293 (2013)
- ^ [15] Никлаус Ф., Стемм Г., Лу Дж.К. и Гутманн Р.Дж., 2006 г. Адгезионное соединение пластин J. Appl. Физ. 99 03110
- ^ [16] [ постоянная мертвая ссылка ] Форсберг, Журнал микромеханики и микроинженерии 23, 085019 (2013)
- ^ Декроп, Дебора; Простите, Гаспар; Шафаг, Реза; Спачич, Драгана; ван дер Вейнгаарт, Воутер; Ламмертин, Йерун; Харальдссон, Томми (2017). «Одноэтапное импринтирование массивов фемтолитровых микролунок позволяет проводить цифровые биоанализы с аттомолярным пределом обнаружения». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (12): 10418–10426. дои : 10.1021/acsami.6b15415 . ПМИД 28266828 .
- ^ Шафаг, Реза; Декроп, Дебора; Пойдем, Карен; Вандербеке, Арно; Хануса, Роберт; Простите, Гаспар; Харальдссон, Томми; Ламмертин, Йерун; из Wijngaart, Wouter (2019). «Реакционное литье под давлением гидрофильных в гидрофобных массивов фемтолитровых лунок» . Микросистемы и наноинженерия . 5 (25): 25. Бибкод : 2019MicNa...5... 25Z дои : 10.1038/ s41378-019-0065-2 ПМК 6545322 . ПМИД 31231538 .
- ^ Шафаг, Реза; Вастессон, Александр; Го, Вэйджин; из Вейнгаарта — Воутер; Харальдссон, Томми (2018). «Электронно-лучевое наноструктурирование и биофункционализация тиол-енового резиста прямым щелчком» . АСУ Нано . 12 (10): 9940–9 дои : 10.1021/acsnano.8b03709 . ПМИД 30212184 . S2CID 52271550 .