原创 PDMS在生物研究中的应用--生物研究领域PDMS光刻技术综述

PDMS在生物学研究中的应用

PDMS在生物学研究中，更确切地说，PDMS的生物相容性是当今生物学研究许多领域中的一个重要参数，因为微流体和微流控芯片是研究器官芯片的各个方面的首选。
从技术的角度来看，能够在几个小时内制造出微流控设备，而不需要洁净室设备，这对从微流控开始的研究团队来说仍然非常有吸引力。

此外，PDMS显示出许多来自其固有属性的优势：
1.PDMS具有生物相容性。
2.它很便宜。
3.透明(240 nm-1100 nm)。
4.它具有很低的自发荧光。
5.使用改进的PDMS，它可以以几个纳米的分辨率进行模塑。
6.通过简单的等离子体处理，可以将PDMS复制品共价粘贴到玻璃基板上，形成密封的微流控器件。

交联型PDMS嵌段

PDMS在生物学研究中的优势

PDMS在生物学研究中显示出许多优势。以下是其中一些建议的摘要：

1. PDMS变形性使防泄漏的流体连接能够轻松连接，通过PDMS微通道集成流体阀门，并用于检测非常低的力，如细胞的生物力学相互作用。
2.这种弹性体对气体也具有足够的渗透性，从而可以为芯片细胞培养提供气体。
3.在交联过程中，可以使用简单的纺丝涂层在衬底上以可控的厚度涂覆PDMS。这使得多层器件的制造和微阀的集成成为可能。

PDMS对生物学的不利影响

在生物学研究中使用PDMS也有一些缺点：

1. 很难将电极集成在一起或直接在其表面进行沉积。
2.细胞生物学的主要缺点之一是PDMS可以从溶液中吸收生物分子和药物等疏水小分子。此外，许多研究人员注意到蛋白质在PDMS表面的吸附，这已被认为是分子生物学的主要问题。对于细胞信号和药物剂量反应的实验，PDMS的使用会对最终结果产生强烈的偏差。为了克服这一问题，根据不同的应用开发了许多PDMS表面处理方法。
3.反过来，不完整的网状PDMS被怀疑在通道内迁移。就此而言，这种聚合物已被用作萃取基质，以从溶液中去除微量有机化合物。
4.在PDMS设备的细胞生物学实验中遇到的另一个问题是PDMS对水蒸气的渗透性，导致通道中包含的水随着时间的推移而蒸发。这种效应可能会导致设备完全干燥或介质渗透压发生变化。通常可以使用水合渠道网络、介质更新系统或湿度控制环境来克服这一问题。理想情况下，PDMS设备应该在使用前几个小时进行调节，以稳定设备的湿度计。
5.PDMS对某些化学品的暴露很敏感。
6.PDMS是一种老化的材料，因此几年后这种材料的机械性能可能会发生变化。

尽管存在这些局限性，PDMS微流控装置仍被广泛应用于细胞研究，并有可能越来越多地用于细胞生物学研究。
因此，有必要了解微尺度环境的影响，以便将在微流控装置中获得的结果与使用传统方法获得的生物实验相结合。
在微流控装置中获得的生物学结果已经引起了细胞生物学的极大兴趣，但仔细了解微型化所产生的条件变化和PDMS的性质将有助于更好地理解这些结果。
传统的孔板和PDMS微细胞培养在细胞增殖、葡萄糖消耗、基因表达模式和有丝分裂缺陷等方面存在显著差异。Pguirigan和al使用了细胞内蛋白质(ICW)，它允许量化蛋白质表达的变化，以显示PDMS微系统中的实验和传统体外实验之间的信号通路激活和蛋白质表达水平的差异。这些研究还显示，当葡萄糖消耗量增加3倍时，小鼠成纤维细胞的增殖受到显著抑制。在PDMS微通道中观察到较少的细胞进行分裂，并显示出几种不同的细胞周期进展问题，许多细胞停滞在S/G2期。

细胞行为的可能原因

对这种行为差异的一种解释可能是，与多壁板相比，微尺度培养通常会增加细胞体积密度(以单位培养基为单位的细胞)，从而导致更快速的废物积累和培养基消耗。但使用较高浓度的培养基对增殖影响不大;说明体积密度不是主要因素。

宏观和微观规模的培养系统之间存在这些差异的主要原因可能是：
未交联低分子量聚合物也可以从聚合物中浸出到介质中，单体可以与细胞膜的疏水部分相互作用。
介质组分在PDMS中的吸收，特别是疏水分子。细胞培养上清液中的疏水性生长因子或脂类可以迁移到PDMS中。在PDMS中，作为细胞能量来源的脂质的这种损失可能解释了葡萄糖消耗量的增加。

克服这些问题的一个解决办法是用适当更新的细胞培养基进行细胞培养，这样可以排出废物和更新营养物质。

事实上，Leclerc&al表明，在不更换培养液的情况下，设备内的葡萄糖和白蛋白浓度在三天后会下降，导致细胞死亡；但更新培养基可以让白蛋白和葡萄糖浓度保持不变，并使细胞长期存活[6]。
以前提出的大多数微流控细胞培养系统都包括对流或扩散介质更新，具体取决于应用。然而，这种方法对于细胞信号研究和药物剂量反应的确定等研究可能并不充分，在这些研究中，细胞吸收或产生的准确分子数量至关重要。在这些情况下，介质无更新和PDMS吸收可能会强烈地偏离结果。
关于介质气体成分，由于PDMS对气体是渗透的，该材料允许通过PDMS壁扩散足够的O2更新用于细胞培养。
Leclerc和al表明，通过PDMS壁200微米的气体扩散足以满足肝癌的长期培养[6]。然而，在这篇综述之前引用的许多文献描述了数周的细胞增殖和生长。他们都使用了一种培养基更新系统，以允许细胞在长期实验中正常生长。

结论

这篇综述表明，PDMS在生物学研究中，更确切地说，PDMS的生物相容性在当今生物学研究的许多领域都具有重要意义，因为微流体和芯片实验室是研究微通道中各种参数(如流速)以及由此产生的剪应力对细胞生长或细菌增殖的影响的首选。
多年来，PDMS的生物相容性已被证明。然而，它仍然非常依赖于它的环境(时间、湿度、温度)，这可能会损害实验的重复性。考虑到这项技术的局限性，在PDMS微系统中进行相关的生物学研究是可能的。将需要进行更多的研究，以确定在这种微系统中获得的哪种结果将是可利用的，以及在什么条件下可以利用。一些实验室没有尝试纠正PDMS的内在特性，如它的表面化学，而是开发和测试新的聚合物，这种聚合物可以实现与PDMS相同的技术潜力，具有更好的化学性质。

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