什么是PDMS？
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种合成聚硅氧烷聚合物，由具有甲基侧链的柔性无机硅氧烷主链（–Si–O–Si–）组成。 这种独特的无机-有机结构赋予了PDMS卓越的链运动性、极低的玻璃化转变温度，以及在宽温度范围内稳定的弹性体性能。PDMS完全通过工业合成制备，通常涉及氯硅烷的水解和缩合，随后进行环状硅氧烷的开环聚合。
PDMS 本身就具有 疏水的 且不会在水中吸收水分或膨胀。因此， PDMS本身并不是水凝胶，而是一种 硅酮弹性体. 然而，PDMS经常被掺入 混合聚合物体系，例如互渗聚合物网络或硅胶水凝胶，其中亲水聚合物相能够吸收水分，而聚二甲基硅氧烷（PDMS）则赋予其弹性、透气性以及长期的力学稳定性。
PDMS聚合物的关键性质
理化特性
PDMS的理化行为源于硅氧烷键的柔韧性及其部分离子性。
- 聚合机理： PDMS链是通过环状硅氧烷的开环聚合形成的。
- 交联策略：
- 通过硅羟基反应实现缩聚固化。
- 通过乙烯基和氢化物官能团硅氧烷之间的矽烷化反应实现加成固化。
- 自由基或光引发交联，包括硫醇-烯反应。
- 通过硅羟基反应实现缩聚固化。
- 混合材料的制备： PDMS 可与亲水性聚合物结合，形成硅胶水凝胶或具有吸水能力的互穿聚合物网络。
交联密度、催化剂的选择以及网络结构对弹性、渗透性和粘弹性行为具有显著影响。
力学性能
PDMS聚合物表现出柔软、类似橡胶的力学特性，其主要表现为弹性和粘弹性响应。
- 弹性： 柔韧的硅氧烷主链使其能够产生较大的可逆变形，且滞后现象极小。
- 可调刚度： 通过调节交联密度、交联点之间的分子量，或引入二级聚合物网络，可在较宽的范围内调节力学性能。
- 粘弹性行为： 在循环或持续载荷作用下，PDMS 表现出随时间变化的应力松弛和能量耗散。
- 长期稳定性：与许多水凝胶体系相比，不可降解的硅氧烷主链具有出色的机械耐久性。
生物相互作用
PDMS被普遍认为具有生物相容性和生物惰性。
- 细胞粘附： 原始PDMS具有疏水性，不易吸附蛋白质且阻碍细胞附着；通常通过表面改性或与亲水性聚合物杂交，来促进可控的细胞相互作用。
- 免疫原性： 在生物医学应用中，PDMS通常只会引发极轻微的炎症反应。
- 降解： PDMS无法被酶降解，这虽然支持其长期使用，但限制了需要基质更新换代的应用。
PDMS聚合物的应用
组织工程
PDMS被广泛用作 弹性基底、支架组件和结构材料 在组织工程领域。其可调的刚度、光学透明性以及与微纳加工技术的兼容性，使得能够精确控制机械信号和表面形貌。在许多系统中，PDMS 作为水凝胶的机械稳定支撑，为细胞提供了一个可与之相互作用的环境。
3D细胞培养与疾病模型
PDMS 是 微流控器件和芯片上器官平台的基石材料. 虽然PDMS本身并非水凝胶，但它常与水凝胶隔室结合，以构建能够严格控制营养物质传输、机械约束和生化梯度的三维培养系统。
药物、基因与细胞递送
PDMS 应用于 硅水凝胶体系和互穿聚合物网络 用于控释应用。在这些混合材料中，亲水聚合物相可实现药物的载入和释放，而PDMS则提供了弹性、气体透过性和机械强度。
为何基于PDMS的聚合物的粘弹性如此重要
尽管通常被描述为纯弹性材料，但PDMS却表现出明显的 粘弹性行为 这直接影响其功能表现。随时间变化的应力松弛和阻尼会影响在持续或循环载荷作用下力的传递和耗散方式。在生物医学和力学生物学应用中，这些粘弹性特性会影响细胞的力学感知、长期力学稳定性以及抗疲劳性能。 在含有PDMS的水凝胶体系中，PDMS相的粘弹性响应在决定细胞所处的复合力学环境方面起着关键作用。
表征基于PDMS的聚合物粘弹性的方法
PDMS的力学和粘弹性性能通常通过拉伸试验、压缩试验、流变测定和动态力学分析来表征。这些技术可测得弹性模量、储能模量和损耗模量，以及阻尼行为。 然而，传统方法往往需要直接接触、大变形或破坏性测试，这限制了它们追踪混合体系中凝胶化动力学或监测同一试样随时间变化的力学演变的能力。
案例研究：利用ElastoSens™ Bio对基于PDMS的软聚合物系统进行力学表征
ElastoSens™ Bio：一种用于测量基于PDMS的软性材料的无损检测工具
该 ElastoSens™ Bio 是一款 一种基于共振原理的非接触式仪器，专为软材料的粘弹性表征而设计。通过监测振动响应的变化，该仪器可在不造成试样物理变形的情况下精确测量其力学性能。该方法特别适用于基于PDMS的软聚合物以及含有PDMS的水凝胶体系。
其主要优势包括无损检测、实时监测、高灵敏度和高重复性，以及与无菌或含细胞工作流程的兼容性。该系统能够持续追踪力学演变，识别混合系统中的液-固相转变，并对同一样品进行随时间的纵向测试。
为了展示 ElastoSens™ Bio 的性能，我们对基于 PDMS 的软聚合物体系进行了一系列测试。下一节概述了所采用的材料和方法，随后介绍了测试结果，从而为该仪器能够对粘弹性特性进行长期无损监测的能力提供了一个实际案例。
材料与方法
聚二甲基硅氧烷（PDMS）采用Sylgard 527制备，该产品由乙烯基端基的PDMS基料（A组分）和含有羟基硅烷的含铂催化剂固化剂（B组分）组成。 将这两种组分按1:1的质量比混合。测试前未进行脱气处理。
混合完成后，立即将未固化的PDMS直接装入宏观样品架中（总体积为2.0 mL）。为防止长期测试过程中样品表面干燥和挥发，在样品表面覆盖了一层防挥发液。
在70 °C条件下，利用ElastoSens Bio对24小时内的固化动力学和整体刚度的变化进行了监测。每20秒采集一次测量数据，从而既能捕捉到早期的固化行为，也能记录刚度趋近最终平台期的过程。实验装置如图1所示。
A
B
图1。 PDMS 1:1 比例的样品：（A）装入宏观固定架后；（B）经 24 小时测试并从固定架中取出后。
结果与讨论
图2展示了1:1比例的Sylgard 527 PDMS样品随时间变化的粘弹性响应。在24小时的固化过程中，剪切储能模量（G′）和剪切损耗模量（G″）均呈上升趋势，这与交联过程的逐步进行和网络结构的形成一致。 实验结束时，G′达到7048 ± 43 Pa，而G″则稳定在2420 ± 167 Pa。 最终 G′ 值高于 G″ 值，表明固化材料的响应主要为弹性响应，即交联网络中的能量存储占主导地位，而非粘性能量耗散。
阻尼因子（tan δ = G″/G′）平均在9.54分钟时达到最大值。该峰值对应于相变点，标志着材料从以液态响应为主（粘性主导）向固态弹性网络的转变，随着养护的进行，该弹性网络会持续变硬。
图2。 1:1 PDMS 在 24 小时内的时变固化曲线。代表性的 G’（蓝色）、G’’（橙色）和 tanδ（灰色）曲线，显示了 70 °C 条件下粘弹性性能的变化（n=3）。
结论与展望
基于 基于PDMS的软聚合物系统的机械行为——其性能主要取决于粘弹性、交联密度和随时间变化的响应特性——这对它们在微流控、力学生物学和混合水凝胶平台中的表现至关重要。由于PDMS材料质地柔软、富有弹性，且常与生物系统接触，因此在表征其力学性能时，必须确保不改变其结构或无菌性。
- 针对软聚合物和弹性体进行优化的 针对软聚合物和弹性体优化的技术。
- 高灵敏度和重复性 ，确保刚度测量的可靠性。
- 监测能力 凝固和凝胶化动力学，包括 液-固相变。
- 直接测量 端部刚度 。
- 纵向测试 对同一样品随时间推移进行的测试，必要时在无菌条件下进行。
- 集成 光刺激模块 支持 对光交联进行实时监测（如适用）。
ElastoSens™ Bio 有助于加深对 PDMS 结构与性能关系的理解，并提高研究和应用场景中的可重复性。
参考文献
González Calderón, J. A., Contreras López, D., Pérez, E., & Vallejo Montesinos, J. (2020). Polysiloxanes as polymer matrices in biomedical engineering: Their interesting properties as the reason for the use in medical sciences. Polymer Bulletin, 77(5), 2749-2817.
Shakeri, A., Khan, S., & Didar, T. F. (2021). Conventional and emerging strategies for the fabrication and functionalization of PDMS-based microfluidic devices. Lab on a Chip, 21(16), 3053-3075.
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