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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)：3440 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，并且可在水相中進行。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)的制備進一步拓寬了材料的應(yīng)用范圍，引起了全球各域科學家們的廣泛關(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效應(yīng)的微納3D打印技術(shù)，可以突破光學衍射限限制，實現(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，引起了生物醫(yī)學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。

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、細胞毒性大，難以直接制備高精細微納結(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)精細度等科學問題

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中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊，近期在水溶性雙光子引發(fā)劑設(shè)計及應(yīng)用方面取得新進展。提出了高性能水溶性雙光子光功能材料分子設(shè)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(shè)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”，“無中生有”，實現(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)劑分子進行包結(jié)，通過改變聚合微環(huán)境，進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)計與合成

等溫量熱滴定測試和量子化學模擬結(jié)構(gòu)顯示主客體化學相互作用后絡(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(jié)合水溶性單體設(shè)計了組分簡單的水相聚合光敏材料，并且實現(xiàn)了聚合閾值僅為3.7 mW、細線寬180 nm的水相環(huán)境中的高精細仿生水凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。

水相環(huán)境中 “化水成塔”，實現(xiàn)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(gòu)筑了結(jié)構(gòu)保真度和力學性能良好的仿生3D水凝膠細胞支架結(jié)構(gòu)（圖4），并研究了細胞在支架上的生長行為，熒光探針標記和顯微成像研究證實了該類引發(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)用提供了科學依據(jù)。

仿生3D水凝膠細胞支架的構(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中心有機納米光子學實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項、國家自然科學面上基金、中國科學院伙伴計劃等項目的大力支持。

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