專利名稱：一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)精確成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)雜微流道系統(tǒng)的仿生制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)精確成形方法。
背景技術(shù)：
自然界許多生命體都富含復(fù)雜的微血管網(wǎng)絡(luò)如植物葉脈與動(dòng)物血管網(wǎng)，從而在結(jié)構(gòu)上保證了營養(yǎng)、水分、氧氣等物質(zhì)在生命體內(nèi)的有效傳輸，這對維持生命體的活性與功能至關(guān)重要。目前，通過模擬自然生命體內(nèi)部的微血管網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建人工功能構(gòu)件如自愈合材料、復(fù)雜微流控器件及生物組織與器官支架等方面的研究已成為國際仿生制造領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的微流體系統(tǒng)制造方法主要有光刻、軟壓印、激光刻蝕、直寫組裝等，但這些方法多需要昂貴的專用成形設(shè)備與熟練的操作技能。同時(shí)，由于自然微血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，現(xiàn) 有的微流道系統(tǒng)制造方法多是通過模擬自然微血管結(jié)構(gòu)的形狀與幾何參數(shù)重新設(shè)計(jì)或是對自然微血管結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程簡化來實(shí)現(xiàn)的，這在一定程度上影響了所制備的微流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，具有在人工功能構(gòu)件上簡單快速精確地制造出仿自然葉脈的復(fù)雜微流道系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，包括以下步驟I)分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%_8%的氫氧化鈉水溶液和4%_6%的碳酸氫鈉水溶液，將兩種溶液按照1:1的體積比均勻混合，摘取葉質(zhì)堅(jiān)硬、葉脈清晰的新鮮樹葉，將樹葉放入混合溶液中并加熱至沸騰，6-20分鐘后取出放入水中清洗，并用毛刷徹底剝離葉肉部分，壓平干燥后得到完整的葉脈結(jié)構(gòu)，然后在葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射或涂覆一層厚度為50-500納米的第一金屬薄膜，得到葉脈掩膜，第一金屬薄膜包括鉻、銅、鉬或金；2)將增粘劑添加在玻璃板或硅片表面，以1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂10秒鐘，在90-100°C溫度下靜置10-30分鐘，然后將光刻膠以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度均勻旋涂在增粘劑的表面，控制光刻膠的厚度為3-6微米，在95°C溫度下靜置5-10分鐘；3)將葉脈掩膜放置在涂覆有光刻膠的玻璃片或硅片表面，置于平行紫外光下照射10-15秒鐘，然后將玻璃板或硅片浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%的氫氧化鈉溶液顯影40-50秒鐘，取出后在95°C溫度下烘干15分鐘，在玻璃板或硅片上得到光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)；4)在光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射或涂覆一層厚度為100-250納米的第二金屬薄膜，浸泡在可溶解光刻膠的有機(jī)溶液中，隨著光刻膠在有機(jī)溶液中的溶解，使得葉脈結(jié)構(gòu)表面的第二金屬薄膜從玻璃板或硅片上剝離，在玻璃板或硅片的非葉脈區(qū)域形成了金屬掩膜層，第二金屬薄膜包括鉻、銅、鉬或金；
5)對于具有金屬掩膜層的硅片，采用干法刻蝕的方法在硅片的非金屬掩膜區(qū)域刻蝕出深度為50-200微米的葉脈流道模具；而對于具有金屬掩膜層的玻璃片作為光掩膜，采用步驟3)的方法在光敏材料上制備出深度為50-400微米的葉脈流道模具；6)采用C4F8氣體對步驟5)得到的葉脈流道模具表面進(jìn)行低能處理5-10分鐘，再將液態(tài)硅橡膠單體與固化劑按照10 1的質(zhì)量比均勻混合，然后填充在葉脈流道模具的表面，在真空環(huán)境下去除氣泡，然后置于60-95°C溫度下1-3小時(shí)使硅橡膠固化，冷卻后脫模得到具有葉脈結(jié)構(gòu)的硅橡膠模具；7)將硅橡膠模具的葉脈結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行氧等離子體處理I分鐘，以提高其表面親水性，然后通過模具成形的方法在人工功能器件材料上制備復(fù)雜的葉脈微流道結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于植物葉脈提出了一種仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法。與其他制造方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可快速精確地在人工構(gòu)件上成形出復(fù)雜的自然微血管網(wǎng)絡(luò)，為直接利用自然生命體優(yōu)異結(jié)構(gòu)性能提供了一種低成本的技術(shù)方法。自然界植物具有豐富的葉脈類 型如分叉狀脈、掌狀網(wǎng)脈、羽狀網(wǎng)脈、平行脈等，葉脈直徑從毫米級逐漸過渡到微米級，基本上覆蓋了微流體系統(tǒng)所需的尺寸范圍，這種結(jié)構(gòu)與尺度的多樣性為依據(jù)人工構(gòu)件功能定制特定的微流道結(jié)構(gòu)提供了廣闊的選擇空間。通過采用微制造技術(shù)將自然植物葉脈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為具有良好性能的硅橡膠模具，拓寬了其材料適用范圍，克服了直接利用自然植物葉脈做模具存在的結(jié)構(gòu)易變形、易受損、不適宜于溫度較高場合等缺點(diǎn)，同時(shí)也為人工修飾自然葉脈結(jié)構(gòu)性能提供了可能。


圖I為實(shí)施例I濺射有400納米金屬鉻薄膜的葉脈掩膜。圖2為實(shí)施例I具有葉脈流道結(jié)構(gòu)的硅片模具。圖3為實(shí)施例I具有葉脈流道結(jié)構(gòu)的硅橡膠模具。圖4為實(shí)施例I具有葉脈流道的水凝膠結(jié)構(gòu)。圖5為實(shí)施例2具有金屬掩膜層的玻璃板。圖6為實(shí)施例2具有葉脈流道的多孔殼聚糖支架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)描述。實(shí)施例I一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，包括以下步驟I)分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的氫氧化鈉水溶液和5%的碳酸氫鈉水溶液，將兩種溶液按照1:1的體積比均勻混合，摘取葉質(zhì)堅(jiān)硬、葉脈清晰的新鮮桂樹樹葉，將桂樹樹葉放入混合溶液中并加熱至沸騰，15分鐘后取出放入水中清洗，并用毛刷徹底剝離葉肉部分，在50°C烘箱內(nèi)壓平干燥后得到完整的葉脈結(jié)構(gòu)，然后在葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射一層厚度為400納米的第一金屬鉻薄膜，得到葉脈掩膜；2)將六甲基二硅胺烷增粘劑滴加在硅片表面，以1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂10秒鐘，在95 °C溫度下靜置15分鐘，然后將EPG533光刻膠以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度在增粘劑表面均勻旋涂45秒鐘，控制光刻膠的厚度為4微米，在95°C溫度下靜置5分鐘；
3)將葉脈掩膜放置在涂覆有EPG533光刻膠的硅片表面，置于平行紫外光下照射12秒鐘，然后將硅片浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%的氫氧化鈉溶液顯影45秒鐘，取出后在95°C烘箱內(nèi)烘干15分鐘，在硅片上得到光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)；4)在光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射一層厚度為150納米的第二金屬鉻薄膜，浸泡在可溶解光刻膠的丙酮溶液中，隨著EPG533光刻膠在丙酮溶液中的溶解，使得葉脈結(jié)構(gòu)表面的第二金屬鉻薄膜從硅片上剝離，在硅片非葉脈區(qū)域形成了金屬鉻掩膜層；5)對于具有金屬掩膜層的硅片，采用干法刻蝕的方法在硅片的非金屬掩膜區(qū)域刻蝕出深度為150微米的葉脈流道模具；6)采用C4F8氣體對步驟5)得到的具有葉脈流道結(jié)構(gòu)的硅片模具進(jìn)行低能處理5分鐘，再將液態(tài)硅橡膠單體與固化劑按照10 1的質(zhì)量比均勻混合，然后填充在硅片的葉脈流道結(jié)構(gòu)表面，放入容器內(nèi)抽真空至5-10Pa，靜置15分鐘去除氣泡，然后置于95° C烘箱 內(nèi)固化2小時(shí)，冷卻后脫模得到具有葉脈結(jié)構(gòu)的硅橡膠模具；7)將硅橡膠模具的葉脈結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行氧等離子體處理I分鐘，以提高其表面親水性，制備質(zhì)量濃度為1%的瓊脂糖溶液并置于80°C溫度下保溫，用移液槍將瓊脂糖溶液添加在硅橡膠模具表面，然后置于4°C溫度下5分鐘使瓊脂糖溶液形成凝膠，脫模后即可獲得具有復(fù)雜葉脈流道的水凝膠結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的具體效果參照圖I、圖2、圖3和圖4，圖中能清晰的反映本發(fā)明具有在人工功能構(gòu)件上簡單快速精確地制造出仿自然葉脈的復(fù)雜微流道系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)施例2一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，包括以下步驟I)分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的氫氧化鈉水溶液和5%的碳酸氫鈉水溶液，將兩種溶液按照I: I的體積比均勻混合，摘取葉質(zhì)堅(jiān)硬、葉脈清晰的新鮮桑樹樹葉，將桑樹樹葉放入混合溶液中并加熱至沸騰，10分鐘后取出放入水中清洗，并用毛刷徹底剝離葉肉部分，在常溫下壓平干燥后得到完整的葉脈結(jié)構(gòu)，然后在葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射一層厚度為300納米的第一金屬鉻薄膜，得到葉脈掩膜；2)將六甲基二硅胺烷增粘劑滴加在透明玻璃片表面，以1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂10秒鐘，在95°C溫度下靜置15分鐘，然后將EPG533光刻膠以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度在增粘劑表面均勻旋涂45秒鐘，控制光刻膠的厚度為4微米，在95°C溫度下靜置5分鐘；3)將葉脈掩膜放置在涂覆有EPG533光刻膠的玻璃片表面，置于平行紫外光下照射12秒鐘，然后將硅片浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%的氫氧化鈉溶液顯影45秒鐘，取出后在95°C烘箱內(nèi)烘干15分鐘，從而在玻璃片上得到光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)；4)在光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射一層厚度為150納米的第二金屬鉻薄膜，浸泡在可溶解光刻膠的丙酮溶液中，隨著EPG533光刻膠在丙酮溶液中的溶解，使得葉脈結(jié)構(gòu)表面的第二金屬鉻薄膜從玻璃片上剝離，而在玻璃片的非葉脈區(qū)域形成了金屬鉻掩膜層；5)對于具有金屬掩膜層的玻璃片作為光掩膜，采用步驟3)的方法在SU8光敏膠上制備出深度為200微米的葉脈流道模具；6)采用C4F8氣體對對步驟5)得到的具有葉脈流道結(jié)構(gòu)的SU8模具進(jìn)行低能處理5分鐘，將液態(tài)硅橡膠單體與固化劑按照10 1的質(zhì)量比均勻混合，然后填充在SU8模具的葉脈流道結(jié)構(gòu)表面，放入容器內(nèi)抽真空至5-10Pa，靜置15分鐘去除氣泡，然后置于95°C烘箱內(nèi)固化2小時(shí)，冷卻后脫模得到具有葉脈結(jié)構(gòu)的硅橡膠模具；7)將硅橡膠模具的葉脈結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行氧等離子體處理I分鐘，以提高其表面親水性，制備質(zhì)量濃度為1%的殼聚糖溶液并置于60°C溫度下保溫，用移液槍將殼聚糖溶液添加在硅橡膠模具表面，用玻璃或塑料平板壓在殼聚糖溶液的上表面使其平整，然后置于-20°C溫度下冷凍30分鐘，將硅橡膠模具脫模后得到葉脈流道的冰凍結(jié)構(gòu)，放入冷凍干燥機(jī)內(nèi)真空干燥24小時(shí)得到具有復(fù)雜葉脈流道的多孔殼聚糖支架。本實(shí)施例的具體效果參照圖5和圖6，圖中能清晰的反映本發(fā)明具有在人工功能構(gòu)件上簡單快速精確地制造出仿自然葉脈的復(fù)雜微流道系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，其特征在于，包括以下步驟 1)分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%-8%的氫氧化鈉水溶液和4%-6%的碳酸氫鈉水溶液，將兩種溶液按照1:1的體積比均勻混合，摘 取葉質(zhì)堅(jiān)硬、葉脈清晰的新鮮樹葉，將樹葉放入混合溶液中并加熱至沸騰，6-20分鐘后取出放入水中清洗，并用毛刷徹底剝離葉肉部分，壓平干燥后得到完整的葉脈結(jié)構(gòu)，然后在葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射或涂覆一層厚度為50-500納米的第一金屬薄膜，得到葉脈掩膜，第一金屬薄膜包括鉻、銅、鉬或金； 2)將增粘劑添加在玻璃板或硅片表面，以1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂10秒鐘，在90-100°C溫度下靜置10-30分鐘，然后將光刻膠以700轉(zhuǎn)/分鐘的速度均勻旋涂在增粘劑的表面，控制光刻膠的厚度為3-6微米，在95°C溫度下靜置5-10分鐘； 3)將葉脈掩膜放置在涂覆有光刻膠的玻璃片或硅片表面，置于平行紫外光下照射10-15秒鐘，然后將玻璃板或硅片浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O. 5%的氫氧化鈉溶液顯影40-50秒鐘，取出后在95°C溫度下烘干15分鐘，在玻璃板或硅片上得到光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)； 4)在光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射或涂覆一層厚度為100-250納米的第二金屬薄膜，浸泡在可溶解光刻膠的有機(jī)溶液中，隨著光刻膠在有機(jī)溶液中的溶解，使得葉脈結(jié)構(gòu)表面的第二金屬薄膜從玻璃板或硅片上剝離，在玻璃板或硅片的非葉脈區(qū)域形成了金屬掩膜層，第二金屬薄膜包括鉻、銅、鉬或金； 5)對于具有金屬掩膜層的硅片，采用干法刻蝕的方法在硅片的非金屬掩膜區(qū)域刻蝕出深度為50-200微米的葉脈流道模具；而對于具有金屬掩膜層的玻璃片作為光掩膜，采用步驟3)的方法在光敏材料上制備出深度為50-400微米的葉脈流道模具； 6)采用C4F8氣體對步驟5)得到的葉脈流道模具表面進(jìn)行低能處理5-10分鐘，再將液態(tài)硅橡膠單體與固化劑按照10 1的質(zhì)量比均勻混合，然后填充在葉脈流道模具的表面，在真空環(huán)境下去除氣泡，然后置于60-95°C溫度下1-3小時(shí)使硅橡膠固化，冷卻后脫模得到具有葉脈結(jié)構(gòu)的硅橡膠模具； 7)將硅橡膠模具的葉脈結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行氧等離子體處理I分鐘，以提高其表面親水性，然后通過模具成形的方法在人工功能器件材料上制備復(fù)雜的葉脈微流道結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種基于植物葉脈的仿生微流道系統(tǒng)的精確成形方法，先除樹葉葉肉部分，獲得樹葉葉脈結(jié)構(gòu)，在葉脈結(jié)構(gòu)表面濺射金屬薄膜得到葉脈掩膜，利用掩膜光固化技術(shù)將葉脈掩膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到粘附在玻璃板或硅片表面的光刻膠上，顯影后得到光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)，然后在光刻膠葉脈結(jié)構(gòu)的表面濺射一層金屬薄膜，放入有機(jī)溶劑內(nèi)，在非葉脈區(qū)域形成金屬薄膜的掩膜層，制造出葉脈流道的硅模具或樹脂模具，翻制出具有葉脈流道結(jié)構(gòu)負(fù)型的硅橡膠模具，以硅橡膠模具為模板，可以在各種材料上精確復(fù)制出復(fù)雜的仿生葉脈微流道結(jié)構(gòu)，本發(fā)明克服了直接利用自然植物葉脈做模具存在的結(jié)構(gòu)易變形、易受損、不適宜于溫度較高場合等缺點(diǎn)，為人工修飾自然葉脈結(jié)構(gòu)性能提供了可能。
文檔編號B81C1/00GK102923639SQ201210280490
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者賀健康, 李滌塵, 劉亞雄, 邵金友, 毛矛, 連芩, 靳忠民 申請人:西安交通大學(xué)