對微流控器件制備工藝的研究表明，與單一材料器件相比，集成多種基底具有顯著優勢。這種集成性增強了微流控平臺的功能，提高了其在各個研究領域的效率，包括電化學傳感、生物傳感、器官芯片研究以及廣泛的新興技術。其中，紙/聚合物混合微流控平臺，因其能夠結合兩種材料的優勢而備受關注。聚合物基底具有優異的機械穩定性、耐化學性、光學透明性和精確的流量控制能力，使其成為復雜流體操作的理想選擇。相比之下，紙基底提供了一種低成本的解決方案，且具有高孔隙率，適用于試劑儲存和比色檢測。已有研究表明，紙/聚合物混合微流控器件顯著提高了核酸分析、蛋白質測定以及基于適配體的檢測應用的效率。盡管具有諸多優勢，但現有研究主要集中于紙質基底在靜態和毛細驅動流動應用中的使用，這限制了其全部潛力的發揮。此外，將紙質基底集成到這些分析型微流控系統中仍面臨重大的制造挑戰。例如，機械緊固件或粘合層等常用技術往往會導致粘合不均、泄漏以及結構耐久性下降。而且，高溫或高壓粘合方法通常無法確保粘合的一致性，也難以承受流體流動和高壓條件，這限制了它們的實際應用。據麥姆斯咨詢介紹，為了克服上述挑戰，中國臺灣科技大學、臺灣大學以及臺北醫學大學的聯合研究團隊提出了一種新穎的兩步鍵合工藝，用于制造一體式紙/聚合物混合微流控器件。這種方法同時利用了物理和化學表面改性，無需緊固件、粘合劑或嚴格控制的制造條件。相關研究成果已經以“Paper meets polymer: Efficiently manufacturing hybrid microfluidics for membrane-based applications”為題發表于近期的Chemical Engineering Journal期刊。一體式紙/聚合物混合（OHPP）微流控器件
由于材料特性截然不同，紙張和聚合物基底之間的直接鍵合存在本質上的困難，因此需要一個中間層來增強附著力。研究人員采用DLP 3D打印方法，在棉短絨纖維素濾紙上創建微圖案，即數字光處理紙（DLPP）。此過程中固化的樹脂起到錨定作用，能夠與聚合物層形成直接的鍵合界面。這種集成使紙質基底能夠在涉及復雜流體相互作用的微流控應用中充當滲透性膜。與聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚偏二氟乙烯（PVDF）或熱塑性塑料等傳統多孔膜需要復雜且昂貴的制備工藝不同，紙質基底天然具有所需的多孔性，并且是一種經濟高效的替代方案。借助DLP技術，研究人員可以精確地對紙質基底的多孔性進行圖案化，從而進一步擴大混合微流控平臺的適用性。紙/聚合物混合微流控平臺的特性表征與實際應用評估
用于快速被動混合的一體式紙/聚合物混合微流控平臺的原理、設計與特性表征
這項研究聚焦了紙質膜的獨特特性，特別是由隨機分布的纖維素纖維形成的微觀結構及其與各種流體的毛細管相互作用。研究人員探究了這些微觀結構特征在三個實際應用中的潛力，包括：（1）被動微混合器，利用纖維素纖維網絡引發混沌對流并啟動混合作用；（2）濃度梯度發生器，利用不同的紙張圖案和流速精確控制梯度分布；（3）兩相油/水分離器，通過條紋圖案的紙膜利用毛細作用和界面張力實現了超過80%的回收率和100%的純度。此外，這些器件在高達60 μL/min的流速下能可靠運行，并長期保持穩定性能。用于濃度梯度生成的一體式紙/聚合物混合微流控平臺的原理、設計與特性表征
為了評估混合微流控裝置的性能，研究人員進行了五項實驗測試：（1）破裂測試、（2）紙張耐久性和可重復使用性測試、（3）被動混合測試、（4）梯度生成測試、（5）油水分離測試。結果證明了這種混合集成方法的有效性。用于兩相油水分離的一體式紙/聚合物混合微流控平臺的原理、設計與特性表征
在被動混合的情況下，傳統微流控系統通常需要特殊的幾何結構或微觀結構來打破層流，增強混合效果。盡管這些方法可能有效，但它們往往涉及復雜的制造工藝，并且會增加生產成本。紙質基底天然存在的纖維素纖維網絡通過圖案化技術，可以實現簡化的構造和可編程的流動行為。這些材料固有的多孔性不僅為簡化器件構造提供了可能，還通過圖案化技術為可編程的流動行為創造了可能。研究人員考慮到這種可圖案化的多孔性可以產生濃度梯度，而傳統微流控器件的這種濃度梯度，需要通過S形通道組成的分級微通道設計來實現。這些傳統結構雖然被廣泛使用，但受限于其制造復雜性以及對大尺寸外部裝置的依賴，以維持穩定的濃度梯度。相比之下，多孔紙基襯底能夠利用更簡單、更緊湊的結構創建對稱和非對稱梯度。此外，作為多孔襯底，紙質膜與不同流體相之間表現出不同的毛細相互作用。利用這一特性及其可圖案化能力，研究人員探索了紙質膜在油水兩相分離中的應用，這是各個工程領域中的一個關鍵過程。與需要專門制造技術的傳統聚合物或陶瓷膜不同，紙質膜為這些應用提供了一種具有成本效益的替代方案。這種新穎的集成工藝還能制造出具有長期穩定性的混合微流控器件，在擴散流動條件下能保持結構和功能的完整性，并在高阻力流動下維持性能。這些發現凸顯了直接制造方法的多功能性，強調了其在開發耐用、適應性強的微流控平臺方面的潛力，該平臺可用于廣泛的先進應用。總之，這種制造方法為混合微流控器件提供了一種低成本、可擴展且可定制的解決方案，增強了紙質膜在復雜流體過程中的作用。https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167788延伸閱讀：
《微流控技術及市場-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
