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化水成塔”——水相環(huán)境雙光子微納3D打印

閱讀次數(shù)：3439 發(fā)布時間：2021/7/13 12:11:52

化水成塔”——水相環(huán)境雙光子微納3D打印

圣賓儀器科技上海有限公司

在動畫中，人物能自由的操控水，將柔軟的水凝聚成形化為各種形態(tài)，或作為武器，或作為交通工具，"化水成塔"的能力驚嘆了無數(shù)人。

獨(dú)有偶，近年來新興的3D打印技術(shù)將這一魔法變成了現(xiàn)實(shí)，并且可在水相中進(jìn)行。形態(tài)各異的材料在我們的生活中無處不在，發(fā)揮著不可或缺的重要作用。3D打印技術(shù)就像有著超能力的魚人一樣，可以將光刻膠、金屬粉末等塑形，使處于液態(tài)、固體粉末狀態(tài)的材料“化水成塔”，化為我們想要的任意3D構(gòu)型，各種結(jié)構(gòu)的制備進(jìn)一步拓寬了材料的應(yīng)用范圍，引起了全球各域科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。

目水相環(huán)境雙光子微納3D打印技術(shù)存在的問題

微納3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有納米精度的3D微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，在眾多域具有廣泛的應(yīng)用景。飛激光雙光子微納加工技術(shù)是一種基于非線性光學(xué)效應(yīng)的微納3D打印技術(shù)，可以突破光學(xué)衍射限限制，實(shí)現(xiàn)3D 復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)與器件的可控制備。以水為介質(zhì)的水相環(huán)境飛激光雙光子微納3D打印由于具有綠色環(huán)保、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，引起了生物醫(yī)學(xué)組織工程域的廣泛關(guān)注，成為近年來微納3D打印重要發(fā)展方向和熱點(diǎn)。

然而，圍繞水相環(huán)境雙光子微納3D打印核心技術(shù)，由于現(xiàn)有雙光子引發(fā)劑的水溶性差、雙光子聚合引發(fā)效率低，導(dǎo)致所制備的三維水凝膠微結(jié)構(gòu)精度差、細(xì)胞毒性大，難以直接制備高精細(xì)微納結(jié)構(gòu)，存在如何提高材料的水溶性和生物相容性，從而提高結(jié)構(gòu)精細(xì)度等科學(xué)問題

如何直接在水相環(huán)境中“化水成塔”，構(gòu)筑3D微結(jié)構(gòu)？

中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室鄭美玲研究員團(tuán)隊(duì)，近期在水溶性雙光子引發(fā)劑設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。提出了高性能水溶性雙光子光功能材料分子設(shè)計(jì)思想與策略，有效提高了雙光子吸收截面和生物相容性，突破了非水溶性材料的雙光子吸收特性與水溶性難以兼顧的瓶頸，設(shè)計(jì)合成了一系列高效水溶性雙光子引發(fā)劑，使得透明均一的水溶液“化水成塔”，“無中生有”，實(shí)現(xiàn)了水相環(huán)境中的微納3D打印，并應(yīng)用于仿生3D水凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑

高性能雙光子吸收材料是突破瓶頸的關(guān)鍵

研究人員利用離子型π共軛體系來提高雙光子引發(fā)劑的水溶性和雙光子吸收特性的同時，還通過結(jié)合不同的疏水基團(tuán)調(diào)節(jié)其生物相容性（圖2）。在水相環(huán)境下的雙光子聚合過程中，利用具有相對較大內(nèi)腔尺寸和良好的水溶性的葫蘆脲7作為主體對引發(fā)劑分子進(jìn)行包結(jié)，通過改變聚合微環(huán)境，進(jìn)一步提高了雙光子吸收截面，從而提高了引發(fā)效率

離子型π共軛水溶性雙光子引發(fā)劑的設(shè)計(jì)與合成

等溫量熱滴定測試和量子化學(xué)模擬結(jié)構(gòu)顯示主客體化學(xué)相互作用后絡(luò)合物的佳絡(luò)合比為1:1（圖3）。研究團(tuán)隊(duì)利用這種新型水溶劑引發(fā)劑結(jié)合水溶性單體設(shè)計(jì)了組分簡單的水相聚合光敏材料，并且實(shí)現(xiàn)了聚合閾值僅為3.7 mW、細(xì)線寬180 nm的水相環(huán)境中的高精細(xì)仿生水凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。

水相環(huán)境中 “化水成塔”，實(shí)現(xiàn)微納3D打印

研究團(tuán)隊(duì)利用該光敏體系和所發(fā)展的水相環(huán)境微納3D打印技術(shù)構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)保真度和力學(xué)性能良好的仿生3D水凝膠細(xì)胞支架結(jié)構(gòu)（圖4），并研究了細(xì)胞在支架上的生長行為，熒光探針標(biāo)記和顯微成像研究證實(shí)了該類引發(fā)劑具有良好的生物相容性，這為水凝膠材料在組織工程域中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

仿生3D水凝膠細(xì)胞支架的構(gòu)筑

相關(guān)研究成果發(fā)表在 ACS Applied Materials ａnd Interfaces (2021, 13, 27796-27805)，DOI: 10.1021/acsami.1c02227。該論文的通訊作者是中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的鄭美玲研究員。相關(guān)研究工作得到科技部納米科技重點(diǎn)項(xiàng)、國家自然科學(xué)面上基金、中國科學(xué)院伙伴計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。

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