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科技工作者之家 2021-01-23

来源:中国感光学会

本文为中国激光第2074篇。

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编者按

面向国家重大需求,传播最新研究成果,《中国激光》联合国家重点研发计划——“超快激光微纳制造机理及新方法”项目,组织策划同名专题。

该专题为《中国激光》“前沿激光制造”半月刊首秀,共收录20篇特邀论文,详情请点击查看:

http://www.opticsjournal.net/Columns/zt_zgjg202102/index.html.

本专题将陆续推荐5篇子课题代表作作为“亮点文章”。本文来源于项目骨干成员中科院理化技术研究所郑美玲研究员课题组——“高效双光子引发剂及水相中制备水凝胶微结构的研究进展”。

撰稿人:张维彩 郑美玲

水凝胶作为一种两亲性网络状的交联高分子聚合材料,内部的亲水基团可以结合水分子,外部的疏水基团则遇水膨胀,其成分类似于细胞外基质,具有良好的生物相容性。

水凝胶微结构可以很好地模拟细胞及组织在体内生长发育的真实环境,传递营养物质,因此被广泛地应用于组织工程与再生医学、药物递送、体外细胞培养等多种领域。

水凝胶微纳结构的制造方法有很多,包括静电纺丝技术、软光刻、3D生物打印、DMD无掩模光刻、光学打印等。这些传统的微加工方法可以制备出水凝胶微结构,但同时存在一定的短板,例如制造灵活性较低,或加工结构精度不高,因此在组织工程领域中的应用受到限制。

飞秒激光双光子聚合是近年发展起来的一种微纳加工技术,具有加工精度高、灵活性好、无污染、热效应小等优点,可以实现任意形貌3D微纳结构的可控制备。利用该技术制备水凝胶微纳米图案化表面及支架,以诱导细胞生长、增殖和迁移,促进细胞向特定功能分化,了解细胞行为机制,是组织工程中的重要研究内容。

中科院理化技术研究所郑美玲研究员课题组针对生物相容性水凝胶的制备,从飞秒激光双光子聚合技术出发,综述了高效双光子引发剂的重要进展,并阐述了课题组进一步发展出的水相中水凝胶微结构的双光子聚合技术,最后展望了该领域未来的发展趋势。

飞秒激光双光子聚合技术方兴未艾

飞秒激光双光子聚合技术主要基于材料的非线性吸收效应。处于强激光焦点处的引发剂分子同时吸收两个光子从基态跃迁到激发态,发生了双光子吸收(TPA),其吸收几率与入射光强的二次方成正比,产生活性基团(自由基或阴阳离子)并引发单体聚合。双光子过程是长波吸收、短波发射的过程,有效地减小了激发光的瑞利散射和介质吸收等损耗。

双光子聚合多采用近红外光,穿透性强,其中涉及的阈值效应和非线性光学效应,可以将反应区域限制于焦点处光子数密度极高的中心区域,实现三维高精度微纳结构的加工。

2001年,Kawata等利用飞秒激光双光子聚合技术,采用SCR500光敏树脂制备出“微米牛”结构。自此,关于利用双光子聚合制造各种微纳米结构及器件的研究层出不穷,双光子聚合技术在激光微纳加工领域的应用受到了广泛关注。

澳大利亚斯威本大学、美国马里兰州大学等课题组基于受激发射损耗STED超衍射原理,结合光功能分子设计,利用两束不同波长激光进行光刻,实现了高精度加工。

奥地利维也纳大学、吉林大学、清华大学、中国科技大学、中国科学院理化技术研究所等研究组报道了细胞支架、微机械、微流道等多种三维复杂微纳结构。

图1 单光子、双光子吸收原理及应用。(a)单光子、多光子吸收示意图;(b) 3D微米牛和高分辨点阵结构

水凝胶微结构的双光子聚合面临挑战

在组织工程领域,为了更准确地掌握细胞与环境交互作用中的物理线索及机理,急需设计制备具有高精度的微结构,这对加工分辨率提出了更高的要求。同时,由于微结构应用在体内外生物实验中,要求材料和结构具有一定的生物相容性和生物安全性。

1、高精度-高效双光子引发剂百花齐放

双光子聚合加工分辨率在很大程度上受限于双光子聚合光引发剂的引发效率。引发剂的双光子吸收截面越大,引发效率越高,其聚合体系的聚合特性越好,结构精度越高。

最早的双光子引发剂是对紫外光敏感的有机分子,如芳香酮类DEAP、Darocure 1173、Irgacure 369等,但是这类引发剂分子通常具有较小的TPA截面,引发活性低,需要较长的曝光时间和较大的激光能量才能实现聚合加工。

随着一些具有大TPA截面的双光子引发剂的成功合成,双光子引发剂的结构与性能之间的关系受到关注。其中研究最多的双光子引发剂分别是四极矩分子和偶极分子。

为了提高TPA活性,分子设计工作主要集中在:通过扩大π共轭系统的长度,或在π共轭系统末端使用强供电子基团和吸电子基团来修饰分子的电子结构,增强分子内电子转移,从而增大TPA截面,提高双光子引发效率。

2、生物相容性-水溶性双光子引发剂应势而生

许多高效双光子引发剂易溶于有机溶剂而不溶于水,传统的双光子聚合用的是商业光刻胶,制备的微结构往往因存在有机溶剂残留而产生细胞毒性,这极大地限制了双光子聚合制造的微纳结构在组织工程领域的应用。为解决这一问题,研发水溶性的双光子引发剂成为研究热点。

改善双光子引发剂的水溶性一般有两种策略:

(a)基于引发剂分子本身进行的分子修饰。如在引发剂中引入离子基团(磺酸根、羧酸钠盐、氨基、季铵盐等),使引发剂本身具有良好的溶解性。

(b)基于引发剂分子作用微环境的适应性改造。例如根据主客体化学原理,利用具有亲疏水性质的大分子对引发剂进行包结,或者利用亲水-疏水相互作用封装引发剂分子。

2019年,本课题组在双光子引发剂中引入了离子型设计思想,解决了因双光子吸收特性提高而导致的水溶性差之间的矛盾,并以具有相对较大的内腔尺寸和良好的水溶性的葫芦脲7(CB7)为主体,对离子型咔唑类衍生物进行主客体化学相互作用,提出了一种新型水溶性双光子引发剂的制备方法,进一步改变了双光子聚合的微环境,在保证水溶性的同时,使得TPA截面大大增强(图2)。

图2 水溶性双光子引发剂的设计思路及应用

水凝胶微结构展现应用潜力

1、响应型微驱动器件

清华大学孙洪波团队根据聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶的湿度响应性,制备了三瓣花阵列和模拟植物叶片的微结构,并利用水蒸气驱动实现离散结构的互联和微叶片开关的闭合。同时设计制备了能模拟关节弯曲运动的悬臂结构这种类似关节的悬臂结构在湿度驱动下能够定向弯曲,且具有记忆性和耐久性[图3(a)]。

本课题组制备了具有表面形貌可控和可逆pH响应特性的“熊猫脸”、微筛等牛血清白蛋白水凝胶微结构[图3(b)],该结构在不同pH值下表现出独特的“面部表情”变化,这种形态可控、具有pH响应特性的蛋白质微结构在生物医学和生物传感器中具有潜在的应用前景。

图3 双光子聚合制备的3D水凝胶结构的扫描电子显微镜图像。(a)PEGDA湿度响应性图案及微驱动装置;(b)pH响应性熊猫脸蛋白质微结构

2、生物组织工程支架

细胞是生物体结构与生命活动的基本单位,了解生命的本质,从了解细胞开始。

本课题组基于上述合成的水溶性双光子引发剂(BMVPC-CB7包合物),与生物相容性PEGDA水凝胶构成光刻胶体系,利用双光子聚合技术直接在水相环境中制备了六角形3D支架微结构,并将其用于L929和HeLa活细胞的培养和观察,发现水凝胶结构具有良好的生物相容性,细胞生长状态良好(图4)。

图4 六角形网格PEGDA水凝胶支架上的细胞行为

德国汉诺威公司Ovsianikov等利用双光子聚合制备了甲基丙烯酰胺改性明胶支架。体外培养猪间充质干细胞,发现应用成骨刺激后,种子细胞在支架上有钙沉积,并分化为预期的谱系。

法国图卢兹大学Laurent Malaquin团队制备了PEGDA水凝胶3D支架结构,其支架悬臂直径和孔隙均大于细胞,发现neuro2A细胞可悬挂生长(图5)。神经细胞除了在单个悬臂表面延伸交互外,还可以跨越间隙,与相邻悬臂上的神经延伸相互连接。F-肌动蛋白更多地分布在细胞骨架外沿,而微管蛋白则在靠近细胞核的骨架区域和比较典型的神经延伸中表达突出,为支架-细胞相互作用和3D组织形成的系统研究提供了新的视角,预示了水凝胶3D支架在神经科学领域的新应用。

图5 PEGDA水凝胶支架上neuro2A细胞生长及黏附行为

未来的研究趋势与展望

在生命科学及组织工程的应用中,需要生物安全性好、具有高精度的微纳米复合结构,并了解这种复杂精细结构的物理参数对细胞行为的影响。

目前,虽然水溶性双光子引发剂的研发工作已初有成效,但目前的水溶性双光子引发剂的种类还比较少,仍然存在分子作用机制不明确、引发效率低等问题,仍需深入研究。

此外,目前水凝胶双光子聚合制备的微结构尺寸较小(毫米、微米级别),且制备耗时较长,这不能满足体外大量细胞培养和组织生长的需要,因此利用超快激光快速制备大面积水凝胶微结构将是未来的发展趋势。

课题组介绍

中国科学院理化技术研究所有机纳米光子学课题组主要以化学、材料、光学、物理等学科为基础,重点开展有机光功能材料、激光微纳加工技术、功能结构与器件制备及应用等方面的研究。现有固定人员4名,含正高级1名,副高级2名,中级1名,11名在读研究生。已建成材料合成实验室和含千级超净间的光学实验室,拥有世界先进水平的飞秒激光器及放大级、纳秒激光器、连续激光器、飞秒激光双光子微纳结构加工平台、激光共聚焦显微镜、激光拉曼显微镜、傅里叶红外光谱仪等材料与结构加工与表征平台。承担国家科技部、基金委、中科院、北京市等多项重大项目,取得了一系列具有国际领先水平的成果,已在国内外期刊发表200多篇论文并申请20多项专利。


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来源:gh_177e34748b80 中国感光学会

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