Нестехиометрический тиол-еновый полимер

Нестехиометрический тиол-еновый полимер представляет собой полимерную платформу, включающую нестехиометрические тиол-ены ( OSTE ) и нестехиометрические тиол-ен-эпоксидные смолы ( OSTE+ ).

Полимеры OSTE включают нестехиометрические смеси тиолов и аллилов. После полной полимеризации, обычно с помощью УФ-микроформовки, полимерные изделия содержат четко определенное количество непрореагировавших тиоловых или аллильных групп как на поверхности, так и в объеме. Эти поверхностные якоря могут использоваться для последующей прямой модификации поверхности или связывания. ^[1]

В более поздних версиях эпоксидные мономеры были добавлены для формирования тройных тиол-ен-эпоксидных мономерных систем (OSTE+), где эпоксид на втором этапе реагирует с избытком тиолов, создавая окончательное полимерное изделие, которое полностью инертно. ^[2] Некоторые из критических особенностей полимеров OSTE+ включают в себя простое и быстрое изготовление сложных структур в стандартных химических лабораториях, гидрофильные свойства собственной поверхности и ковалентную связь посредством скрытой эпоксидной химии. ^[3]

Полимерные смолы OSTE были первоначально разработаны Томми Харальдссоном и Фредриком Карлборгом в группе микро- и наносистем ^[4] в Королевском технологическом институте (KTH) для преодоления разрыва между исследовательским прототипированием и коммерческим производством микрофлюидных устройств. ^[1] Позднее смолы были адаптированы и улучшены для коммерческого применения шведским стартапом Mercene Labs AB под названием OSTEMER.

Смолы OSTE отверждаются посредством быстрой реакции тиол-ен "Click" между тиолами и аллилами. Тиолы и аллилы реагируют идеально чередующимся образом и имеют очень высокую скорость конверсии (до 99%), ^[5] начальная нестехиометрия мономеров будет точно определять количество непрореагировавших групп, оставшихся после полимеризации. При правильном выборе мономеров можно достичь очень высоких нестехиометрических соотношений при сохранении хороших механических свойств. ^[1]

Нестехиометрические тиол-ен-эпоксиды, или полимеры OSTE+, создаются в двухэтапном процессе отверждения, где первая быстрая тиол-еновая реакция определяет геометрическую форму полимера, оставляя избыток тиолов и всю эпоксидную смолу непрореагировавшей. На втором этапе все оставшиеся тиоловые группы и эпоксидные группы реагируют, образуя инертный полимер. ^[6]

Основными преимуществами, выдвинутыми УФ-отверждаемыми полимерами OSTE в микросистемах, являются их i) способность к сухому связыванию путем реакции полимера с избытком тиола со вторым полимером с избытком аллила при комнатной температуре с использованием только УФ-света, ii) их четко определенное и настраиваемое количество поверхностных якорей (тиолов или аллилов), присутствующих на поверхности, которые могут быть использованы для прямой модификации поверхности ^[7] и iii) их широкий диапазон настройки механических свойств от резиноподобных до термопластичных в зависимости только от выбора нестехиометрии. ^{[8] [1]} Температура стеклования обычно варьируется от ниже комнатной температуры для высоких нестехиометрических соотношений до 75 °C для стехиометрической смеси тетратиола и триаллила. ^[9] Они, как правило, прозрачны в видимом диапазоне. Недостатком, выдвинутым в отношении полимеров OSTE, является выщелачивание непрореагировавших мономеров при очень высоких нестехиометрических соотношениях, что может повлиять на клетки и белки в лабораторных условиях на чипах ^[1], хотя жизнеспособность клеток наблюдалась для клеточных культур при низких нестехиометрических OSTE. ^[10]

Тиол-ен-эпоксидные смолы двойного отверждения, или полимеры OSTE+, отличаются от полимеров OSTE тем, что они имеют два отдельных этапа отверждения. После первого этапа, инициированного УФ-излучением, полимер становится резиноподобным и может легко деформироваться ^[11] , а также имеет поверхностные якоря, доступные для модификации поверхности. ^[12] На втором этапе, когда все тиолы и эпоксидные смолы прореагировали, полимер становится жестким и может связываться с большим количеством субстратов, включая себя, посредством эпоксидной химии. Преимущества, выдвигаемые для OSTE+, заключаются в следующем: i) их уникальная способность к интеграции и связыванию посредством скрытой эпоксидной химии и низкие встроенные напряжения в тиол-еновых полимерах ^[13] ii) их полная инертность после окончательного отверждения iii) их хорошие барьерные свойства ^[14] и возможность масштабирования производства с использованием промышленного реакционного литья под давлением. ^[15] Были продемонстрированы как жесткие, так и резиновые версии полимеров OSTE+, что показало их потенциал в микросистемах для клапанов и насосов, аналогичных компонентам PDMS, но с преимуществом выдерживания более высоких давлений. ^[11] Было показано, что коммерческая версия полимера OSTE+, OSTEMER 322, совместима со многими клеточными линиями. ^[16]

Смолы OSTE можно отливать и отверждать в структурированных силиконовых формах ^[1] или покрывать постоянным фоторезистом. ^[17] Полимеры OSTE также показали превосходную способность к фотоструктурированию ^[18] с использованием фотошаблонов, что позволяет, например, использовать мощные и гибкие капиллярные насосы. ^[19]

Смолы OSTE+ сначала отверждаются УФ-излучением так же, как и полимеры OSTE, но затем подвергаются термическому отверждению для придания им жесткости и сцепления с подложкой.

OSTE+ позволяет выполнять мягкую литографическую микроструктуру, прочное биосовместимое сухое связывание практически с любой подложкой во время производства Lab-on-a-chip (LoC), одновременно имитируя механические свойства, обнаруженные в термопластичных полимерах, что позволяет проводить истинное прототипирование коммерческих LoC. ^[20] Обычно используемые для микрофлюидики материалы страдают от громоздких этапов и часто неэффективных процессов связывания, особенно при упаковке биофункционализированных поверхностей, что делает сборку LoC сложной и дорогостоящей ^{[21] [22]} Полимер OSTE+, который эффективно связывается с девятью разнородными типами подложек, не требует обработки поверхности перед связыванием при комнатной температуре, отличается высокой Tg и достигает хорошей прочности связывания по крайней мере до 100 °C. ^[20] Более того, было продемонстрировано, что превосходные результаты могут быть получены с помощью фотолитографии на полимере OSTE, что открывает более широкие потенциальные возможности применения. ^[23]

Биосенсоры используются для ряда биологических измерений. ^{[24] [25]}

Упаковка OSTE для биосенсоров была продемонстрирована для QCM, ^[26] и фотонных кольцевых резонаторных датчиков. ^[27]

Склеивание пластин стало общепринятой технологией в интеграции и упаковке микроэлектромеханических систем (MEMS). ^[28] OSTE подходит для гетерогенной интеграции на уровне кремниевых пластин в зависимости от его применения в низкотемпературных процессах благодаря его способности отверждаться даже при комнатной температуре. ^[29]

Импринтинг массивов с гидрофильными-в-гидрофобных микролунках стал возможным благодаря инновационному подходу репликации поверхностной энергии с помощью гидрофобной тиол-еновой полимерной формулы. В этом полимере мономеры, содержащие гидрофобные фрагменты, самоорганизуются на гидрофобной поверхности импринтингового штампа, что приводит к образованию гидрофобной поверхности реплики после полимеризации. После удаления штампа получаются микролунки с гидрофобными стенками и гидрофильным дном. Такая быстрая и недорогая процедура может быть использована в технологии цифровых микролунок для диагностических приложений. ^{[30] [31]}

Смола OSTE также может использоваться в качестве резиста электронного луча, что приводит к образованию наноструктур, которые позволяют осуществлять прямую функционализацию белков. ^[32]