機(jī)電文章

一、研究背景與應(yīng)用需求

在細(xì)胞工程、生物材料、生物藥物釋放系統(tǒng)等前沿交叉學(xué)科領(lǐng)域，高通量微結(jié)構(gòu)芯片平臺(tái)日益成為研究核心。尤其以PDMS微柱陣列芯片為載體，搭配可控生物降解性薄膜（如PLGA）的復(fù)合結(jié)構(gòu)，正廣泛應(yīng)用于如下方向：

1. 單細(xì)胞藥物遞送與敏感性評(píng)估平臺(tái)；

2. 生物材料與細(xì)胞界面作用研究（粘附、遷移、分化）；

3. 多因子高通量篩選與仿生微環(huán)境構(gòu)建；

4. 納米尺度藥物釋放行為精準(zhǔn)調(diào)控。

這些研究往往要求在芯片表面、特別是柱體頂部構(gòu)建高度均勻、厚度在100–300 nm之間的功能膜層，尤其以PLGA（聚乳酸-羥基乙酸共聚物）為典型代表材料。其生物可降解、可調(diào)控釋放特性，使其成為理想的藥物載體材料。

然而，傳統(tǒng)旋涂?jī)x的平面設(shè)計(jì)和吸附機(jī)制難以在微柱陣列的非平面結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)高均勻性的納米級(jí)沉積，特別是在柱頂定向涂覆時(shí)，更需突破常規(guī)工藝的局限。

因此，設(shè)計(jì)一款專用于“微柱陣列PDMS芯片柱頂納米級(jí)PLGA膜沉積”的旋涂?jī)x，具有重要的科研與工程意義。

二、旋涂膜沉積原理簡(jiǎn)述

旋涂（Spin Coating）是一種廣泛應(yīng)用于微電子、光學(xué)與生物材料領(lǐng)域的薄膜制備技術(shù)。其基本原理如下：

1. 在基片上滴加溶液；

2. 通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將溶液均勻展布于表面；

3. 隨著旋轉(zhuǎn)與溶劑蒸發(fā)，薄膜在數(shù)秒至一分鐘內(nèi)快速成型。

在簡(jiǎn)化模型（Meyerhofer模型）中，膜厚 h 主要與以下因素相關(guān)：

h ∝ (c * μ) / ω^{1/2}

其中：

• c 為溶液濃度；

• μ 為溶液粘度；

• ω 為轉(zhuǎn)速（rpm）；

調(diào)控這三項(xiàng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)在幾十至幾百納米的膜厚精度。

對(duì)于柱頂區(qū)域的定向沉積，還需結(jié)合特殊夾具、非真空吸附機(jī)制、程序分段旋轉(zhuǎn)控制等先進(jìn)設(shè)計(jì)。

三、設(shè)備功能需求分析

為滿足上述應(yīng)用目標(biāo)，旋涂?jī)x需具備以下功能模塊：

1. 微結(jié)構(gòu)適應(yīng)性平臺(tái)設(shè)計(jì)

• 基底尺寸支持：55 mm × 55 mm PDMS芯片；

• 支持非真空吸附，避免破壞微結(jié)構(gòu)柱體；

• 可兼容曲面/微凹陷基底，提升柱頂旋涂均勻性。

2. 精確旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

• 轉(zhuǎn)速范圍：100–10,000 rpm；

• 最小分辨率：1 rpm；

• 加速度可控范圍：100–10,000 rpm/s；

• 可編程多段速度控制（不少于10段/程序）；

• 每段支持設(shè)置：轉(zhuǎn)速、時(shí)間、加速度。

3. 納米膜厚控制模塊

• 滴液自動(dòng)化控制（精密注射泵配合）：

• 微量注液：0.1–10 μL 級(jí)別；

• 精度 ±0.01 μL；

• 可選配溫控蓋（提升揮發(fā)均勻性）；

• 環(huán)境密封艙（可置入手套箱）；

• 可外接氮?dú)饣蚩諝饬魉僬{(diào)控模塊。

4. 編程與反饋系統(tǒng)

• LCD 彩色觸控界面，用戶自定義程序組；

• 實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、溫度、程序步數(shù)等；

• 可保存程序參數(shù)組不少于20組；

• 支持USB導(dǎo)出涂布數(shù)據(jù)日志；

• 可聯(lián)機(jī)外部傳感器（如膜厚儀、紅外監(jiān)測(cè)）。

四、創(chuàng)新設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

1. 非真空夾具系統(tǒng)：

• 替代傳統(tǒng)真空吸附，避免PDMS柱塌陷；

• 采用PTFE定位邊緣卡槽，保證芯片中心不被遮擋；

2. 柱頂對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)優(yōu)化路徑：

• 多段程序設(shè)定中引入緩加速-恒轉(zhuǎn)速-緩減速模型；

• 第一段低速初展液（300 rpm）；

• 第二段高速展平（2000–3000 rpm）；

• 第三段中速穩(wěn)定蒸發(fā)（800–1200 rpm）以確保柱頂薄膜均勻。

3. 微液量滴加系統(tǒng)：

• 使用定制微量注射頭，將PLGA溶液精準(zhǔn)滴于中心區(qū)域，控制展開速率與膜厚初始條件；

• 可搭配激光輔助定位系統(tǒng)；

4. 防邊緣堆積涂膜功能：

• 調(diào)整液滴位置及延遲轉(zhuǎn)速起始時(shí)間，避免重力流動(dòng)集中在邊緣造成厚膜。

5. 開放式開發(fā)接口：

• 兼容MATLAB / Python SDK 接口；

• 適配生物實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化平臺(tái)或AI反饋學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

五、使用流程示意

1. 在PDMS芯片中心微量滴加PLGA溶液（濃度2–5 wt%，以DCM或氯仿為溶劑）；

2. 啟動(dòng)旋涂程序：

• Step 1：預(yù)展階段（300 rpm / 10 s）；

• Step 2：主旋階段（2000 rpm / 30 s）；

• Step 3：干燥階段（1000 rpm / 20 s）；

3. 封蓋或引導(dǎo)氮?dú)庹舭l(fā)輔助；

4. 成膜結(jié)束后進(jìn)行AFM、橢偏等膜厚檢測(cè)。

六、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑與材料推薦

• 控制系統(tǒng)：STM32/ESP32微控芯片 + 旋轉(zhuǎn)編碼器 + 高精度閉環(huán)電機(jī)；

• 注液系統(tǒng)：精密注射泵（微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)）+ 替換式針頭結(jié)構(gòu)；

• 加熱罩：PTFE蓋體 + PTC膜加熱片 + PID溫控；

• 架構(gòu)與外殼：鋁合金CNC加工框架 + 亞克力透明防護(hù)罩；

• 芯片夾具：激光雕刻PTFE槽口，兼容不同厚度PDMS。

七、市場(chǎng)對(duì)標(biāo)與研發(fā)展望

對(duì)標(biāo)設(shè)備如：

• Ossila Advanced Spin Coater（英國(guó)）

• Laurell WS-650 系列（美國(guó)）

• MTI VTC-100PA（中國(guó)）

本項(xiàng)目定位于科研級(jí) + 柱頂微結(jié)構(gòu)專用功能補(bǔ)充，填補(bǔ)國(guó)產(chǎn)旋涂?jī)x在微柱陣列和細(xì)胞載體平臺(tái)的涂膜適應(yīng)性空白。

未來還可加入：

• 多液自動(dòng)滴加模塊（可切換多種藥物溶液）；

• 自動(dòng)識(shí)別芯片排布（計(jì)算機(jī)視覺輔助定位涂膜區(qū)域）；

• AI膜厚控制閉環(huán)優(yōu)化系統(tǒng)；

八、結(jié)語

本設(shè)計(jì)方案聚焦于“微柱陣列PDMS芯片 + 柱頂定向PLGA納米薄膜沉積”的核心技術(shù)難題，融合旋涂原理、非平面適配、非真空設(shè)計(jì)與微液量控制技術(shù)，形成一整套面向生物材料與高通量藥物篩選平臺(tái)的專用旋涂解決方案。其科研價(jià)值、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化潛力和平臺(tái)兼容性在多學(xué)科交叉領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。