Какие широкие области применения имеет ПДМС в современной промышленности?

Биомедицинская инженерия и ПДМС: акцент на микрожидкостных системах и биомедицинских устройствах

ПДМС в микрожидкостных системах

PDMS является предпочтительным вариантом при изготовлении микрожидкостных систем благодаря своей биосовместимости, оптической прозрачности и проницаемости для газов. Он также совместим с методом мягкой литографии, что позволяет быстро изготавливать прототипы лабораторных систем на чипе — особенно полезно в диагностике на месте оказания медицинской помощи (point-of-care diagnostics) и системах «орган на чипе». В сочетании с репликой-формованием PDMS способен создавать каналы с разрешением менее 100 [мкм], что является важной характеристикой для анализа отдельных клеток в микрожидкостных системах. Кроме того, PDMS позволяет использовать 3D-напечатанные формы со сложными геометрическими конструкциями, что особенно актуально при разработке имплантируемых устройств. На субмиллиметровых масштабах возникают технические трудности, например деформация тонких мембран, а также требуется повторное окисление поверхности каждые 48–79 часов для снижения гидрофобного восстановления. Некоторые из последних инноваций, такие как формование с инфракрасным отверждением и лазерная ориентация компонентов, позволили повысить выход годных изделий при производстве высокопроизводительных систем до 96 %. Такая высокая надёжность делает PDMS оптимальным выбором для портативных систем скрининга лекарственных препаратов, способных одновременно проводить более 50 анализов.

PDMS в биомедицинских устройствах — носимые и имплантируемые устройства

Имплантируемые устройства из ПДМС также являются гибкими и обладают такой же эластичностью, как и ткани. ПДМС также характеризуется гидролитической стабильностью в течение более чем 10 лет in vivo и гибкостью в кинетике высвобождения лекарственных веществ. Гибкие микрожидкостные датчики на основе ПДМС, способные отслеживать уровни глюкозы, лактата и кортизола, демонстрируют точность 99,2 % в клинических испытаниях. К устройствам на основе ПДМС также относятся носимые эпидермальные пластыри со растяжимыми электрическими цепями, работающие в режиме реального времени. ПДМС также отлично подходит для мониторинга pH послеоперационных ран при использовании эпидермального пластиря, что снижает риск инфицирования на 63 %. К недостаткам ПДМС относятся снижение прочности на разрыв (на 15–20 %) в результате автоклавирования и поглощение липидов (до 5 % прироста массы в физиологических средах). Ведутся разработки устройств следующего поколения, в состав которых включены керамические наночастицы, повышающие рентгеноконтрастность и снижающие адсорбцию белков на 40 %. Эти устройства предназначены в первую очередь для улучшения нейронного взаимодействия и кардиоваскулярного мониторинга.

、

Гибкая электроника и оптические системы на основе ПДМС

Растяжимые датчики и мягкая робототехника на основе ПДМС

ПДМС становится технологическим прорывом в области мягкой робототехники и растяжимой электроники благодаря чрезвычайно низкому модулю Юнга (~50 кПа) и способности выдерживать деформации более 100 %, а также своей биосовместимости. Эти характеристики обеспечивают не раздражающую и конформную интеграцию с поверхностью кожи в устройствах, таких как носимые средства мониторинга здоровья, отслеживающие движения и ЭКГ. В мягкой робототехнике ПДМС используется для формирования конструкции пневматических исполнительных механизмов и сенсорных оболочек, что позволяет аккуратно манипулировать хрупкими объектами — это особенно важно для хирургических вспомогательных технологий и автоматизации в промышленном производстве. Композит ПДМС с углеродным волокном сохраняет свои электропроводные свойства даже при деформации до 20 % и соответствует требованиям FDA к медицинским носимым устройствам класса II.

ПДМС в качестве герметизирующего материала, подложки и волноводного материала в оптоэлектронике

PDMS является идеальным материалом для использования в оптоэлектронике благодаря высокой термостойкости, широкому диапазону рабочих температур (от −40 °C до 200 °C) и превосходной механической эластичности. Кроме того, PDMS обладает высокой прозрачностью в видимом свете — более 92 %. Поэтому он отлично подходит в качестве подложки для гибких OLED- и микро-LED-устройств, а также других электронных компонентов, размещаемых в гибких дисплеях и имеющих неровную внешнюю поверхность, например, изогнутые глазные линзы. Газопроницаемость и высокая механическая гибкость PDMS позволяют использовать его для герметизации гибких OLED- и микро-LED-устройств с целью предотвращения окислительной деградации, а также обеспечивать газообмен с расположенными ниже электронными компонентами, чувствительными к воздействию воздуха. Волноводы на основе PDMS характеризуются очень низкими оптическими потерями при передаче света (менее 0,2 дБ/см) и, следовательно, отлично подходят для точной маршрутизации света в субмиллиметровом диапазоне, а также для применения в фотонных датчиках импульсной оксиметрии, интегрирующих лазеры и фотодетекторы, что делает их пригодными для использования в носимых устройствах.

Инженерные функции PDMS: покрытия, смазка, управление теплом

Обработки поверхностей с гидрофобным, антиобрастающим и низкофрикционным PDMS-покрытием

Покрытия на основе ПДМС используют запатентованную гидрофобность (поверхностная энергия ~20 мН/м) и молекулярную структуру с высокой степенью гибкости цепей для создания многофункциональной поверхности, обеспечивающей высокий уровень защиты. Показано, что покрытия на основе ПДМС снижают коррозию на 40 % в агрессивных промышленных средах, а также уменьшают биообрастание морского оборудования и катетеров. Ультра-гладкие пленки ПДМС обладают коэффициентом трения менее 0,2 и устойчивы к адгезии частиц и загрязнению, что приводит к существенному сокращению простоев при техническом обслуживании в фармацевтической и пищевой промышленности. Теплостойкость ПДМС в диапазоне от −40 до +200 °C обеспечивает равномерный отвод тепла в электронных корпусах. Химическая стойкость покрытий ПДМС ограничена поглощением растворителей; однако в высокопроизводительных применениях использование гибридных сеток на основе силоксанов позволяет частично устранить это ограничение.

Основные промышленные технологические применения ПДМС

Дефоамеры на основе ПДМС в пищевой, фармацевтической и химической промышленности

Дефоамеры на основе ПДМС в виде пены используются как отраслевой стандарт в пищевой, фармацевтической и химической промышленности благодаря их низкому поверхностному натяжению (примерно 21 мН/м) и термостойкости до 200 °C. Кроме того, ПДМС одобрен FDA (21 CFR §173.370) и одобрен в Европе Европейским агентством по безопасности продуктов питания (EFSA). В процессах ферментации и розлива дефоамеры на основе ПДМС предотвращают образование пены, которая может нарушить технологические операции. В биореакторах дефоамеры на основе ПДМС способны удалять воздух, сохраняя стерильность биореактора и не оказывая влияния на чувствительные биологические компоненты. Дефоамеры на основе ПДМС также применяются в очистке сточных вод и химических процессах для подавления пенообразования в аппаратах с перемешиванием, а также в трубопроводах — с целью снижения риска перелива и повышения эффективности массопередачи.

Применение ПДМС в системах гашения вибрации, гидравлических жидкостях и разделительных агентах

ПДМС — это высокопроизводительный демпфирующий материал с вязкоупругими характеристиками, применяемый в различных областях, включая прецизионную инженерию и производство. Преимущество ПДМС для этих применений заключается в том, что он снижает усталость компонентов от механических ударов на 40 %. В гидравлических системах ПДМС повышает стабильность давления рабочей жидкости и улучшает смазывающие свойства, а также снижает износ при высоких нагрузках. Неприлипающие системы на основе ПДМС действуют как разделительные агенты для форм, включая резину, термопласты и композитные материалы. Стабильность ПДМС в диапазоне температур от −40 °C до 230 °C делает этот материал отличным выбором для производственных процессов с экстремальными требованиями к температуре.

ПДМС в промышленности

PDMS практически не имеет себе равных в отрасли по своим характеристикам и свойствам. Благодаря способности PDMS выдерживать широкий температурный диапазон этот материал может применяться в самых разных системах. PDMS также биосовместим и гибок, что позволяет использовать его в биомедицинских приложениях — например, в микросистемах и имплантатах. Однако PDMS — не идеальный материал. В промышленных применениях PDMS необходимо использовать с высокой точностью, поскольку PDMS-материалы могут быть проницаемыми, а изделия на основе PDMS — набухать. Хотя PDMS отлично подходит для таких задач, как гашение вибраций, и является прекрасным материалом для систем, подвергающихся воздействию ультрафиолетового излучения, он подвержен деградации из-за поглощения УФ-излучения. PDMS сохраняет высокую надёжность в диапазоне температур от −50 °C до 200 °C, однако такая термостойкость не сохраняется при длительном наружном использовании материала. PDMS также отлично подходит для применений, требующих термостойкости. Учитывая все эти характеристики, PDMS по-прежнему оптимизируется различными способами для достижения наилучшего баланса свойств, включая создание композитов PDMS с различными материалами.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Какую роль играет ПДМС в области биомедицинской инженерии?

Помимо проектирования биомедицинских устройств, ПДМС применяется при изготовлении микрофлюидных устройств, гибкой электроники, оптических устройств, промышленной инженерии поверхностей, демонтажа в перерабатывающей промышленности, гашения вибраций в гидравлических системах, а также в качестве разделительных агентов.

С какими трудностями связано применение ПДМС в микрофлюидных устройствах?

В новых разработках микропроизводственных технологий, несмотря на недавние достижения в создании высокопроизводительных устройств на основе ПДМС, проблемы деформации при плазменном соединении и необходимость повторного окисления поверхности по-прежнему остаются актуальными вызовами для микрофлюидных устройств на основе ПДМС.

Что делает ПДМС идеальным материалом для имплантируемых и носимых биомедицинских устройств?

Интеграция растяжимой схемотехники осуществляется легко и позволяет обеспечить чрезвычайно точный мониторинг в реальном времени.