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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:2950   發(fā)布時(shí)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(dòng)畫(huà)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(wú)數人。

獨有偶,近年來(lái)新興的3D打印技術(shù)將這一魔法變成了現實(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(wú)處不在,發(fā)揮著(zhù)不可或缺的重要作用。3D打印技術(shù)就像有著(zhù)超能力的魚(yú)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構型,各種結構的制備進(jìn)一步拓寬了材料的應用范圍,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(wèn)題

微納3D打印技術(shù)能夠實(shí)現具有納米精度的3D微納結構的構筑,在眾多域具有廣泛的應用景。飛激光雙光子微納加工技術(shù)是一種基于非線(xiàn)性光學(xué)效應的微納3D打印技術(shù),可以突破光學(xué)衍射限限制,實(shí)現3D 復雜微納結構與器件的可控制備。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),引起了生物醫學(xué)組織工程域的廣泛關(guān)注,成為近年來(lái)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,導致所制備的三維水凝膠微結構精度差、細胞毒性大,難以直接制備高精細微納結構,存在如何提高材料的水溶性和生物相容性,從而提高結構精細度等科學(xué)問(wèn)題

如何直接在水相環(huán)境中化水成塔,構筑3D微結構?

中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機納米光子學(xué)實(shí)驗室鄭美玲研究員團隊,近期在水溶性雙光子引發(fā)劑設計及應用方面取得新進(jìn)展。提出了高性能水溶性雙光子光功能材料分子設計思想與策略,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,設計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(wú)中生有,實(shí)現了水相環(huán)境中的微納3D打印,并應用于仿生3D水凝膠結構的構筑

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(lái)提高雙光子引發(fā)劑的水溶性和雙光子吸收特性的同時(shí),還通過(guò)結合不同的疏水基團調節其生物相容性(圖2)。在水相環(huán)境下的雙光子聚合過(guò)程中,利用具有相對較大內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,通過(guò)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)劑的設計與合成

等溫量熱滴定測試和量子化學(xué)模擬結構顯示主客體化學(xué)相互作用后絡(luò )合物的佳絡(luò )合比為1:1(圖3)。研究團隊利用這種新型水溶劑引發(fā)劑結合水溶性單體設計了組分簡(jiǎn)單的水相聚合光敏材料,并且實(shí)現了聚合閾值僅為3.7 mW、細線(xiàn)寬180 nm的水相環(huán)境中的高精細仿生水凝膠結構的構筑。

水相環(huán)境中化水成塔,實(shí)現微納3D打印

研究團隊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)構筑了結構保真度和力學(xué)性能良好的仿生3D水凝膠細胞支架結構(圖4),并研究了細胞在支架上的生長(cháng)行為,熒光探針標記和顯微成像研究證實(shí)了該類(lèi)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用提供了科學(xué)依據。

仿生3D水凝膠細胞支架的構筑

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)中心有機納米光子學(xué)實(shí)驗室的鄭美玲研究員。相關(guān)研究工作得到科技部納米科技重點(diǎn)項、國家自然科學(xué)面上基金、中國科學(xué)院伙伴計劃等項目的大力支持。

                                                                                                                                           本篇轉至中科院之聲

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