一、研究背景与应用需求
在细胞工程、生物材料、生物药物释放系统等前沿交叉学科领域，高通量微结构芯片平台日益成为研究核心。尤其以PDMS微柱阵列芯片为载体，搭配可控生物降解性薄膜（如PLGA）的复合结构，正广泛应用于如下方向：
单细胞药物递送与敏感性评估平台；
生物材料与细胞界面作用研究（粘附、迁移、分化）；
多因子高通量筛选与仿生微环境构建；
纳米尺度药物释放行为精准调控。
这些研究往往要求在芯片表面、特别是柱体顶部构建高度均匀、厚度在100–300 nm之间的功能膜层，尤其以PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）为典型代表材料。其生物可降解、可调控释放特性，使其成为理想的药物载体材料。
然而，传统旋涂仪的平面设计和吸附机制难以在微柱阵列的非平面结构上实现高均匀性的纳米级沉积，特别是在柱顶定向涂覆时，更需突破常规工艺的局限。
因此，设计一款专用于“微柱阵列PDMS芯片柱顶纳米级PLGA膜沉积”的旋涂仪，具有重要的科研与工程意义。
二、旋涂膜沉积原理简述
旋涂（Spin Coating）是一种广泛应用于微电子、光学与生物材料领域的薄膜制备技术。其基本原理如下：
在基片上滴加溶液；
通过高速旋转产生离心力，将溶液均匀展布于表面；
随着旋转与溶剂蒸发，薄膜在数秒至一分钟内快速成型。
在简化模型（Meyerhofer模型）中，膜厚 h 主要与以下因素相关：
h ∝ (c * μ) / ω^{1/2}
其中：
c 为溶液浓度；
μ 为溶液粘度；
ω 为转速（rpm）；
调控这三项参数即可实现在几十至几百纳米的膜厚精度。
对于柱顶区域的定向沉积，还需结合特殊夹具、非真空吸附机制、程序分段旋转控制等先进设计。
三、设备功能需求分析
为满足上述应用目标，旋涂仪需具备以下功能模块：
1. 微结构适应性平台设计
2. 精确旋转控制系统
3. 纳米膜厚控制模块
滴液自动化控制（精密注射泵配合）：
微量注液：0.1–10 μL 级别；
精度 ±0.01 μL；
可选配温控盖（提升挥发均匀性）；
环境密封舱（可置入手套箱）；
可外接氮气或空气流速调控模块。
4. 编程与反馈系统
LCD 彩色触控界面，用户自定义程序组；
实时显示转速、温度、程序步数等；
可保存程序参数组不少于20组；
支持USB导出涂布数据日志；
可联机外部传感器（如膜厚仪、红外监测）。
四、创新设计亮点
非真空夹具系统：
替代传统真空吸附，避免PDMS柱塌陷；
采用PTFE定位边缘卡槽，保证芯片中心不被遮挡；
柱顶对准旋转优化路径：
微液量滴加系统：
防边缘堆积涂膜功能：
开放式开发接口：
五、使用流程示意
在PDMS芯片中心微量滴加PLGA溶液（浓度2–5 wt%，以DCM或氯仿为溶剂）；
启动旋涂程序：
Step 1：预展阶段（300 rpm / 10 s）；
Step 2：主旋阶段（2000 rpm / 30 s）；
Step 3：干燥阶段（1000 rpm / 20 s）；
封盖或引导氮气蒸发辅助；
成膜结束后进行AFM、椭偏等膜厚检测。
六、技术实现路径与材料推荐
控制系统：STM32/ESP32微控芯片 + 旋转编码器 + 高精度闭环电机；
注液系统：精密注射泵（微步进电机驱动）+ 替换式针头结构；
加热罩：PTFE盖体 + PTC膜加热片 + PID温控；
架构与外壳：铝合金CNC加工框架 + 亚克力透明防护罩；
芯片夹具：激光雕刻PTFE槽口，兼容不同厚度PDMS。
七、市场对标与研发展望
对标设备如：
本项目定位于科研级 + 柱顶微结构专用功能补充，填补国产旋涂仪在微柱阵列和细胞载体平台的涂膜适应性空白。
未来还可加入：
多液自动滴加模块（可切换多种药物溶液）；
自动识别芯片排布（计算机视觉辅助定位涂膜区域）；
AI膜厚控制闭环优化系统；
八、结语
本设计方案聚焦于“微柱阵列PDMS芯片 + 柱顶定向PLGA纳米薄膜沉积”的核心技术难题，融合旋涂原理、非平面适配、非真空设计与微液量控制技术，形成一整套面向生物材料与高通量药物筛选平台的专用旋涂解决方案。其科研价值、产业转化潜力和平台兼容性在多学科交叉领域均具有广泛的应用前景。
