機電文章

一、研究背（bèi）景與應（yīng）用需（xū）求

在細胞工程、生物材料（liào）、生物（wù）藥物釋（shì）放係統（tǒng）等前沿交叉學科領（lǐng）域，高通量微結（jié）構芯片平台日益成為研究核心。尤其以（yǐ）PDMS微柱陣列芯片為載體，搭（dā）配可控生物降解性薄（báo）膜（如（rú）PLGA）的複合結構，正廣泛應（yīng）用（yòng）於如下方向（xiàng）：

1. 單細胞藥物遞送與敏感性評估平台；

2. 生物材料（liào）與細胞界麵作用研（yán）究（粘附、遷移、分化）；

3. 多因子高通量篩（shāi）選與（yǔ）仿生微環境構（gòu）建；

4. 納米尺度藥物釋放行為精準調控。

這些研（yán）究往往要求在（zài）芯片表麵、特別是柱體頂部構建高度（dù）均勻、厚度在100–300 nm之間的（de）功能膜層，尤其以PLGA（聚乳酸-羥基乙酸共聚（jù）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（zǎi）體材料（liào）。

然而，傳統旋塗（tú）儀的平麵設計和吸附機（jī）製難以在微（wēi）柱陣列的非（fēi）平麵結構上實現高均勻性（xìng）的納米級沉積，特別是在柱頂定向塗覆時，更需突破常規工藝的局限。

因此，設計一款專用於“微（wēi）柱陣列PDMS芯片柱頂（dǐng）納米級PLGA膜沉（chén）積”的旋塗儀，具（jù）有重要的科研與工程意義。

二（èr）、旋塗膜沉積原理簡述

旋塗（Spin Coating）是一（yī）種廣泛應用於微電子、光學與（yǔ）生物材料領域的薄膜製備技術。其基本原理如下：

1. 在基片上滴加溶液；

2. 通過高速旋轉產生離心力，將溶（róng）液均（jun1）勻展布於表麵；

3. 隨（suí）著旋轉與溶劑蒸發，薄膜在數秒至一分鍾內快速（sù）成型。

在簡化模型（Meyerhofer模型）中，膜厚 h 主（zhǔ）要與以下（xià）因素（sù）相關（guān）：

h ∝ (c * μ) / ω^{1/2}

其中：

• c 為溶液（yè）濃度（dù）；

• μ 為溶液粘度（dù）；

• ω 為轉速（rpm）；

調控這三項參數即可實現在幾十至幾百納米的膜厚精度。

對於柱頂區域的定向沉積，還需（xū）結合特殊夾具、非真空吸附機製、程序分段旋轉控製等先進設計。

三、設備功能需求分析

為滿足上述（shù）應用目標，旋塗儀需（xū）具備以下功能模塊：

1. 微結構適應（yīng）性平台設（shè）計

• 基底（dǐ）尺寸支持：55 mm × 55 mm PDMS芯片；

• 支持非（fēi）真空吸附，避免破壞微結構柱（zhù）體（tǐ）；

• 可兼容（róng）曲麵/微凹陷（xiàn）基底，提升柱（zhù）頂旋塗均勻（yún）性。

2. 精確旋轉控製係統

• 轉速範圍：100–10,000 rpm；

• 最小分（fèn）辨率：1 rpm；

• 加速度可控範圍：100–10,000 rpm/s；

• 可編程多段速度控製（不（bú）少於10段（duàn）/程（chéng）序）；

• 每（měi）段支持設置：轉速、時間、加速度。

3. 納米膜厚控製模（mó）塊（kuài）

• 滴液自動化控製（精密注（zhù）射泵配合）：

• 微（wēi）量注液：0.1–10 μL 級別；

• 精度 ±0.01 μL；

• 可選配溫控蓋（提（tí）升揮發均勻（yún）性）；

• 環境密封艙（可置入手套箱）；

• 可外接氮氣或空氣流速調（diào）控模塊。

4. 編程與反（fǎn）饋係統

• LCD 彩色觸控界麵，用戶自定義程序組；

• 實時顯示轉速、溫度、程序步數等；

• 可保存程序參數組不少於20組；

• 支持（chí）USB導出塗布數據日誌；

• 可聯機外部傳感器（如膜厚儀、紅外監測）。

四、創新設計亮點

1. 非真空夾具係統（tǒng）：

• 替代傳統真空吸附，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（dǎng）；

2. 柱頂（dǐng）對準旋轉優化路徑：

• 多段程序設定中引入緩加速-恒轉速-緩（huǎn）減速模型；

• 第一段（duàn）低速初展（zhǎn）液（300 rpm）；

• 第二段高速展平（2000–3000 rpm）；

• 第三（sān）段中（zhōng）速（sù）穩定（dìng）蒸發（800–1200 rpm）以確保柱頂（dǐng）薄膜均勻（yún）。

3. 微液量滴（dī）加係統：

• 使用定製微量注射頭，將PLGA溶液精準滴於中心區域，控製展開速率（lǜ）與膜厚初始條件；

• 可搭配激光輔助定位係統；

4. 防（fáng）邊緣堆積塗膜功能：

• 調整液滴位置及延遲（chí）轉速起始時間，避免重力流（liú）動集中（zhōng）在邊（biān）緣造成（chéng）厚膜（mó）。

5. 開放式開發接口：

• 兼容MATLAB / Python SDK 接口；

• 適配（pèi）生物實驗自動化平台（tái）或AI反饋學習係統（tǒng）。

五、使用流程示意

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

2. 啟動旋塗程（chéng）序：

• Step 1：預展階段（300 rpm / 10 s）；

• Step 2：主（zhǔ）旋階段（2000 rpm / 30 s）；

• Step 3：幹燥階段（1000 rpm / 20 s）；

3. 封蓋或引導（dǎo）氮氣蒸（zhēng）發（fā）輔助；

4. 成膜（mó）結束後進行AFM、橢偏等膜厚檢測（cè）。

六、技術實（shí）現路徑與材料（liào）推薦

• 控製係統（tǒng）：STM32/ESP32微控芯片 + 旋（xuán）轉編碼器 + 高（gāo）精度（dù）閉環電機；

• 注液係統：精密注射泵（微步進電機驅動）+ 替換式針頭結構；

• 加熱罩：PTFE蓋體 + PTC膜加熱片（piàn） + PID溫控（kòng）；

• 架構與外殼（ké）：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）對標與研發展望

對標設備如：

• Ossila Advanced Spin Coater（英國）

• Laurell WS-650 係列（美國）

• MTI VTC-100PA（中國）

本項目定位於（yú）科研級 + 柱頂微結構（gòu）專用功能補充，填補國產旋塗儀在微柱（zhù）陣列和細胞載體平台的塗膜適應性空白。

未（wèi）來還可加入：

• 多液自動滴加模塊（可切換多種藥物溶液）；

• 自動識別芯片排（pái）布（計算機視覺輔助（zhù）定位塗膜區域）；

• AI膜厚控製閉環優化（huà）係統；

八、結語

本設計方案聚焦於“微（wēi）柱陣列PDMS芯片 + 柱（zhù）頂定向PLGA納米薄膜沉積（jī）”的核心技術難題，融合（hé）旋塗原理、非平麵適（shì）配、非真空設計（jì）與微液量（liàng）控製技術，形成一整（zhěng）套麵向生物（wù）材料與（yǔ）高通量藥物篩選平台的專（zhuān）用旋塗解決方案。其科研價值、產業轉化潛力和平台兼容性在多學科交叉領域均具有廣泛的（de）應用前景。