一种激光应力辅助PDMS表面裂纹生长的方法及装置

本发明属于激光表面改性领域，特别涉及一种激光应力辅助pdms表面裂纹生长的方法及装置。

背景技术：

pdms(聚二甲基硅氧烷)是一种特殊的聚合物，具有生物相容性、高光学透明度、透气性、机械柔韧性等特点，被广泛应用于光传导、医疗器械、微电子机械系统、微流控芯片以及气体传感器等。在用于制作微流控装置的所有高分子材料中，pdms最受关注，相较于pc(聚碳酸酯)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)在以下方面具有明显优势：(1)柔软且弹性好，容易从模板上取出而不会损坏自身和模板；(2)可以轻易通过低温聚合得到；(3)对于波长280nm以上的光都是透明的，适于光检测；(4)呈生物学惰性且无毒；(5)气体透过性好，利于向密闭体系中供氧进行细胞培养；(6)容易与其他材料密封。可即便如此，pdms在细胞培养应用中还是受到一定的限制，未经改性处理的pdms易于空气暴露的界面上浓缩，使得材料有一层疏水性很高的涂层，易非特异性吸附蛋白质或小疏水性分子，是一个高度疏水性材料。由于当前的细胞培养或者微流控装置中的功能要求对细胞黏附生长有需求，因而要对pdms进行表面改性，才能更好的用于现代技术研究、应用中。

目前，激光图案化pdms表面是改性的一种手段。激光图案化pdms表面主要是基于激光的热膨胀，激光光束聚焦后，可以在材料表面很小范围的区域内发生作用，激光辐射后的pdms(聚二甲基硅氧烷)区域会形成微裂纹，而这些微裂纹可以将蛋白质、细胞生长因子、酶及核酸等生物分子固定在特定材料的表面，为细胞附着生长提供了一个良好的环境。或激光辐射后的pdms(聚二甲基硅氧烷)表面发生改性，能够提高生物附着性。

利用激光作用材料表面改性或形成表面微裂纹，在不影响非修饰区域表面结构或化学性质的情况下，简化pdms表面改性步骤，大大提高制备效率，具有广泛的应用前景。

基本的技术原理为：激光器产生高能脉冲激光，且激光的能量和频率可调。激光经过光路系统中的反射镜由凸透镜进行聚焦至pdms表面，使pdms表面局部区域在激光辐射下带来的高能量和冲击力作用下，发生复杂的光热作用和光化作用，并瞬间汽化或迸溅，从而在相互作用的局部区域表面形成微裂纹，或者激光能量达到裂解pdms(聚二甲基硅氧烷)化学键能，产生能促进细胞黏附的新官能团，提高表面生物附着性。激光作用pdms(聚二甲基硅氧烷)表面提高生物附着性，可根据不同的脉冲能量、脉冲重叠率以及离焦量等激光工艺参数变量产生不同程度的变化。

随着当前的微流控芯片和各种便携式检测器械的发展，对微生物培养基有了更高的要求，上述的激光图案化pdms表面技术在表面微裂纹的成型效果上有一定的限制，不能准确控制裂纹生长方向，且生长的长度有限，不利于大面积的加工。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种激光应力辅助pdms表面裂纹生长的装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置进行激光应力辅助pdms表面裂纹生长的方法。该方法是在应力辅助在激光作用下的材料表面改性或形成表面微裂纹，通过应力大小及方向辅助控制微裂纹的生长，在不影响非修饰区域表面结构或化学性质的情况下，精细化表面图案，简化pdms表面改性步骤，大大提高制备效率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种激光应力辅助pdms表面裂纹生长的装置，所述装置包括激光器、准直器、匀光器、反射镜、凸透镜、pdms、xy工作平台、运动控制系统和计算机；所述计算机分别与激光器和运动控制系统连接；所述运动控制系统还与xy工作平台相连接；所述pdms置于xy工作平台上面，并且由xy工作平台的夹具夹紧；所述激光器、准直器、匀光器、反射镜、凸透镜依次处于激光器发射的激光光束路径中。

所述反射镜改变匀光器过来的激光光束的传输角度，再经凸透镜垂直聚焦到pdms表面。

一种利用上述的装置进行激光应力辅助pdms表面裂纹生长的方法，包括以下步骤：

计算机指导激光器产生能量和频率可调整的高能脉冲激光，经过准直器进行准直，再进入匀光器进行匀光，接着经过反射镜改变传输角度，再经过凸透镜垂直聚焦至pdms表面，使pdms表面局部区域在激光辐射下瞬间汽化或迸溅，从而在相互作用的局部区域表面形成微裂纹；同时，xy工作平台的夹具对pdms施加可变的拉应力，计算机指导运动控制系统精确控制xy工作平台做水平方向的二维运动，在pdms表面微裂纹形成时，拉应力会促使pdms表面微裂纹朝着应力方向生长，应力进一步加大表面微裂纹的成型效果。

所述拉应力是指在xy方向上的拉力配比控制pdms所受合力。

在本发明装置和方法中，激光作用于pdms(聚二甲基硅氧烷)表面提高了生物附着性，根据不同的脉冲能量、脉冲重叠率以及离焦量等激光工艺参数变量，对pdms表面生物附着性产生不同程度的变化，同时xy工作平台调整拉力参数进一步调整生物附着的性能。

激光光束能量调整到合适值后经准直、聚焦后，可以在pdms表面很小范围的区域内发生作用，因此，调控功率后的激光辐射到pdms(聚二甲基硅氧烷)指定区域会仅形成微裂纹而不产生微沟槽结构。二维xy工作平台水平方向有可控拉力施加到pdms上，配合其水平方向上的运动更好的控制裂纹生长。微裂纹的生长由激光扫描路径和二维拉应力xy工作平台共同控制，能较好解决非辐射区表面结构被破坏的问题。这些微裂纹可以将蛋白质、细胞生长因子、酶及核酸等生物分子固定在材料表面的特定位置，为细胞附着生长提供了一个良好的环境。同时，激光辐射后的pdms(聚二甲基硅氧烷)表面发生改性，能够提高生物附着性。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)对于复杂的局部区域，加工适应性较好：xy工作平台做水平方向的二维运动，以路径扫描的方式，制备出所需提高细胞附着性空间的图案，从而在不影响非修饰区域的情况下，提高pdms表面所需修饰区域的生物附着性，因此本发明方法和装置对于复杂的局部区域，加工适应性较好。

(2)应力加大了表面微裂纹形成程度，加工效率提高：在xy工作平台施加一定的拉力后，对比简单的放置加工，相同激光功率下，表面微裂纹的辐射区域有一定的加大，因此本发明在低成本增加的基础上能有效提升加工效率，更能适应当前的加工及商业化。

(3)表面裂纹的生长方向角度可控，满足多种领域生物附着需求：通过施加拉力的配比，激光辐射形成的微裂纹不再是简单地在路径两侧呈90°生长；理论上来说，它完全可以由拉力控制朝向任意方向，解决了当前日益精进的需求。

附图说明

图1为本发明激光应力辅助pdms表面裂纹生长的装置图，其中(1)为激光器，(2)为准直器，(3)为匀光器，(4)为反射镜，(5)为凸透镜，(6)为pdms，(7)为xy工作平台，(8)为运动控制系统，(9)为计算机。

图2为xy工作平台的简单示意图。

图3为利用本发明装置进行激光应力辅助pdms表面裂纹生长的方法，当拉应力方向与竖直方向夹角分别为0°、30°、60°时获得的样品图，其中a为夹角为0°时获得的样品图，b为夹角为30°时获得的样品图，c为夹角为60°时获得的样品图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种激光应力辅助pdms表面裂纹生长的装置，如图1所示，该装置包括激光器(1)、准直器(2)、匀光器(3)、反射镜(4)、凸透镜(5)、pdms(6)、xy工作平台(7)、运动控制系统(8)和计算机(9)；所述计算机分别与激光器和运动控制系统连接；所述运动控制系统还与xy工作平台相连接；所述pdms置于xy工作平台上面，并且由xy工作平台的夹具夹紧；所述激光器、准直器、匀光器、反射镜、凸透镜依次处于激光器发射的激光光束路径中；

所述反射镜改变匀光器过来的激光光束的传输角度，再经凸透镜垂直聚焦到pdms表面。

所述xy工作平台的简单示意图如图2所示，可以将pdms朝四个方向施加拉应力。

实施例2

一种利用上述的装置进行激光应力辅助pdms表面裂纹生长的方法，包括以下步骤：

计算机指导激光器产生能量和频率可调整的高能脉冲激光，经过准直器进行准直，再进入匀光器进行匀光，接着经过45°的反射镜改变传输角度，再经过凸透镜垂直聚焦至pdms表面，使pdms表面局部区域在激光辐射下在合适的能量和冲击力作用下，发生复杂的光热作用和光化作用，并瞬间汽化或迸溅，从而在相互作用的局部区域表面形成微裂纹；同时，xy工作平台的夹具对pdms施加可变的拉应力，计算机指导运动控制系统精确控制xy工作平台做水平方向的二维运动，在pdms表面微裂纹形成时，拉应力会促使pdms表面微裂纹朝着应力方向生长，应力进一步加大表面微裂纹的成型效果。由xy方向上的拉力配比控制pdms所受合力方向最终达到控制裂纹在理想区域生长，制备出pdms表面所需修饰的较复杂的区域图案。从而在不影响非修饰区域的情况下，简便快速的图案化pdms(聚二甲基硅氧烷)表面，并且裂纹生成质量和效率得到大幅提升，提高其生物附着性。

本实施例中，当拉应力方向与竖直方向夹角分别为0°、30°、60°时获得的样品图，如图3所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。