Off-stökiometrisk tiolenpolymer
En off-stökiometrisk tiolenpolymer är en polymerplattform som omfattar off-stökiometriska tiolener ( OSTE ) och off-stökiometriska tiolenepoxier ( OSTE+ ).
OSTE-polymererna omfattar off-stökiometriska blandningar av tioler och allyler. Efter fullständig polymerisation, typiskt genom UV-mikroformning, innehåller polymerartiklarna ett väldefinierat antal oreagerade tiol- eller allylgrupper både på ytan och i bulken. Dessa ytankare kan användas för efterföljande direkt ytmodifiering eller limning.
I senare versioner tillsattes epoximonomerer för att bilda ternära tiol-en-epoximonomersystem (OSTE+), där epoxin i ett andra steg reagerar med överskottet av tioler och skapar en slutlig polymerartikel som är helt inert. Några av de kritiska egenskaperna hos OSTE+-polymerer inkluderar okomplicerad och snabb tillverkning av komplexa strukturer i ett standardkemilaboratorium, hydrofila naturliga ytegenskaper och kovalent bindning via latent epoxikemi.
Utveckling
OSTE-polymerhartserna utvecklades ursprungligen av Tommy Haraldsson och Fredrik Carlborg vid gruppen för mikro- och nanosystem vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) för att överbrygga gapet mellan forskningsprototypframställning och kommersiell produktion av mikrofluidikanordningar . Hartserna har senare anpassats och förbättrats för kommersiella applikationer av det svenska nystartade företaget Mercene Labs AB under namnet OSTEMER.
Reaktionsmekanism
OSTE-hartserna härdas via en snabb tiolen-"klick"-reaktion mellan tioler och allyler. Tiolerna och allylerna reagerar på ett perfekt alternerande sätt och har en mycket hög omvandlingshastighet (upp till 99 %), den initiala off-stökiometrin för monomererna kommer exakt att definiera antalet oreagerade grupper som finns kvar efter polymerisationen. Med rätt val av monomerer kan mycket höga off-stökiometriförhållanden uppnås samtidigt som goda mekaniska egenskaper bibehålls.
De off-stökiometriska tiolen-epoxierna, eller OSTE+-polymererna, skapas i en tvåstegshärdningsprocess där en första snabb tiolenreaktion definierar polymerens geometriska form samtidigt som ett överskott av tioler och all epoxi lämnas oreagerad. I ett andra steg reageras alla återstående tiolgrupper och epoxigrupperna för att bilda en inert polymer.
Egenskaper
OSTE polymerer
De främsta fördelarna med de UV-härdade OSTE-polymererna i mikrosystem har varit deras i) torrbindningskapacitet genom att reagera en polymer med tiolöverskott till en andra polymer med allylöverskott vid rumstemperatur med endast UV-ljus, ii) deras brunn - definierat och avstämbart antal ytankare (tioler eller allyler) som finns på ytan och som kan användas för direkt ytmodifiering och iii) deras breda avstämningsområde av mekaniska egenskaper från gummiliknande till termoplastliknande beroende endast på valet av off-stökiometri . Glasövergångstemperaturen varierar typiskt från under rumstemperatur för höga off-stökiometriska förhållanden till 75 °C för en stökiometrisk blandning av tetratiol och triallyl. De är vanligtvis genomskinliga i det synliga området. En nackdel som framförts med OSTE-polymererna är utlakning av oreagerade monomerer vid mycket höga off-stökiometriska förhållanden som kan påverka celler och proteiner i lab-on-chips, även om cellviabilitet har observerats för cellkulturer på låg off-stökiometrisk OSTE.
OSTE+ polymerer
De dubbelhärdande tiol-en-epoxierna, eller OSTE+-polymererna, skiljer sig från OSTE-polymererna genom att de har två separata härdningssteg. Efter det första UV-initierade steget är polymeren gummiartad och kan lätt deformeras och den har ytankare tillgängliga för ytmodifiering. Under det andra steget, när alla tioler och epoxier har reagerat, stelnar polymeren och kan binda till ett stort antal substrat, inklusive sig själv, via epoxikemin. De fördelar som presenteras för OSTE+ är i) deras unika förmåga till integration och bindning via den latenta epoxikemin och de låga inbyggda spänningarna i tiolenpolymererna ii) deras fullständiga tröghet efter slutlig härdning iii) deras goda barriäregenskaper och möjligheten att skala upp tillverkningen med hjälp av industriell reaktionsformsprutning. Både styva och gummiliknande versioner av OSTE+-polymererna har visats, som visar deras potential i mikrosystem för ventilering och pumpning som liknar PDMS-komponenter, men med fördelen att de tål högre tryck. Den kommersiella versionen av OSTE+-polymeren, OSTEMER 322, har visat sig vara kompatibel med många cellinjer.
Tillverkning
OSTE polymerer
OSTE-hartserna kan gjutas och härdas i en strukturerad silikonform eller belagd permanent fotoresist. OSTE-polymerer har också visat utmärkt fotostruktureringsförmåga med hjälp av fotomasker, vilket möjliggör till exempel kraftfulla och flexibla kapillärpumpar.
OSTE+ polymerer
OSTE+-hartserna UV-härdas först på samma sätt som OSTE-polymererna men härdas senare termiskt för att stelna och binda till ett substrat.
Ansökningar
Lab-on-a-chip
OSTE+ möjliggör mjuk litografimikrostrukturering, stark biokompatibel torrbindning till nästan vilket substrat som helst under Lab-on-a-chip (LoC)-tillverkning, samtidigt som de efterliknar de mekaniska egenskaperna som finns i termoplastiska polymerer, vilket möjliggör verklig prototypframställning av kommersiella LoC. De ofta använda materialen för mikrofluidik lider av svårhanterliga steg och ofta ineffektiva bindningsprocesser, särskilt vid förpackning av biofunktionaliserade ytor, vilket gör LoC-montering svår och kostsam OSTE+-polymer som effektivt binder till nio olika typer av substrat, kräver ingen ytbehandling före limningen vid rumstemperatur, har hög Tg och uppnår god bindningsstyrka till minst 100 °C. Dessutom har det visat sig att utmärkta resultat kan erhållas med fotolitografi på OSTE-polymer, vilket öppnar bredare potentiella tillämpningar.
Bioförpackning
Biosensorer används för en rad biologiska mätningar.
OSTE-förpackningar för biosensing har demonstrerats för QCM och fotoniska ringresonatorsensorer.
Wafer limning
Limning av limskivor har blivit en etablerad teknik inom integration av mikroelektromekaniska system (MEMS) och förpackningsapplikationer. OSTE är lämplig för integrering av heterogen kiselwafernivå beroende på dess tillämpning i lågtemperaturprocesser på grund av dess förmåga att härda även i rumstemperatur.
Microarray imprinting och ytenergimönster
Imprinting av arrayer med hydrofila-i-hydrofoba mikrobrunnar är möjlig med hjälp av en innovativ ytenergireplikeringsmetod med hjälp av en hydrofob tiolenpolymerformulering. I denna polymer, monomerer som innehåller hydrofoba delar självmonterar sig vid den hydrofoba ytan av stämpeln, vilket resulterar i en hydrofob kopia yta efter polymerisation. Efter att stämpeln tagits bort erhålls mikrobrunnar med hydrofoba väggar och en hydrofil botten. En sådan snabb och billig procedur kan användas i digital mikrobrunnsarrayteknologi för diagnostiska tillämpningar.
OSTE e-beam resist
OSTE-harts kan också användas som e-beam resist, vilket resulterar i nanostrukturer som tillåter direkt proteinfunktionalisering.