聚乙烯醇改性的聚二甲基硅氧烷海绵蒸发微泵的制备与应用

万物生长,离不开阳光、空气、温度和水。其中,植物生长中的液体运输(例如蒸腾作用)既是自然界普遍存在的一种现象,同时也是学术界研究的重要课题,广泛涉及到化学、生物、物理、材料、能源与工程等多个学科领域。在蒸腾作用中,绝大部分水分透过叶片的气孔蒸发成水蒸气而散失,大自然利用叶片等小巧而精妙的结构,实现着水、无机盐等物质以及光、热等能量在生命体和环境中的复杂而有效地传递。近年来,仿生学设计和制造受到越来越多的关注。其中利用微泵来输送液体的研究主要包括毛细管泵、亲水蒸发泵、以及真空泵等,虽然这些成果在无动力源的微流控芯片等方面有所应用,但是仍然存在以下问题:泵的设计复杂、制备成本高;将泵集成在设备中不便携;泵的工作时间短,流量小,不能满足实际需要;亲水蒸发泵的亲水性涂层易失效,影响泵的使用。这些问题的存在,很大程度上限制了微泵在各方面的应用。

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为有效地解决以上问题,深圳大学化学与环境工程学院周学昌课题组利用聚乙烯醇(PVA)溶液浸泡-干燥的改性方法制备出一种新型的亲水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)海绵材料:PVA-PDMS海绵,并对它的液体运输性能进行系统性研究,结果表明这种PVA-PDMS海绵微泵的表面涂层亲水性好、维持时间长,可以应用于多种微流控芯片,在没有其他任何动力源提供的情况下,利用毛细作用力和水的蒸发作用像树叶一样源源不断地输送液体。相关结果作内内封面发表在Advanced Science(2017, 4, 1700028.)上。

PDMS海绵兼有柔性骨架和三维多孔结构,展现出独特的力学和物理化学性质,在制备柔性导体器件、油水分离、以及有机光催化等方面有广泛应用(详见该团队的其他工作:Adv. Mater. Technol. 2016, 1, 1600117; J. Mater. Chem. C 2017, 5, 1586; Global Challenges 2017, 1, 1600014; Green Chem. 2017, DOI:10.1039/C6GC03558B; J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/C7TA04577H)。在这项研究中,研究者通过对PDMS海绵表面进行亲水改性,以达到亲水状态下更高效的水溶液运输。该研究团队利用糖模板法(Sugar leaching method)以及PVA溶液浸泡-干燥的改性方法制备出高亲水性的PDMS海绵微泵。在不提供其他外部动力源的情况下,这种PVA-PDMS海绵微泵可以在微流控芯片管道内实现稳定的层流模式、化学浓度梯度、以及操纵液体的流动和停止。更重要的是,凭借毛细作用吸力和水的蒸发作用的结合,微泵能够实现超过24小时自行高效(微流通道内的流速高达15 μLmin-1)的液体运输,并且工作期间维持稳定的层流。此外,将制备的PVA-PDMS海绵微泵放置空气中,2个月内都能保持的良好亲水性能。相比于其他微泵的制备过程,该研究团队所制备的亲水性海绵价格便宜,便利且通用,并不限于此处所用的PVA和PDMS。因此,该技术还可以应用于其他需要压力驱动流动的小型化系统中,有望进一步拓展其在如细胞培养、微混合、连续流动反应等领域的广泛应用空间。