有序微纳结构介导的可控粘附
本文关键词： 微加工 胶体刻蚀技术 有序微纳结构 超疏油 各向异性 聚合物刷 生物分子图案 传感检测 可控粘附 出处：《吉林大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：近几十年来,随着研究人员对有序微纳结构所表现出来的非凡性能的认知不断加深以及现实生活中对有序微纳结构实现实际应用的迫切需求,一系列用于有序微纳结构构筑的微加工方法,如光刻技术、电子束刻蚀技术、纳米压印技术、微接触印刷技术、浸笔刻蚀技术、胶体刻蚀技术等被开发出来,逐渐实现了以高产量低成本的方式构筑大面积的有序微纳阵列结构,并对各种结构化表面所具备的特殊性质及应用进行了探究。所制备结构的组成、尺寸、形貌、排布方式等可以通过对加工过程条件的控制进行调节,从而为结构化表面的实际应用提供了丰富的素材。迄今为止,有序微纳结构化表面除可应用于工业领域的微处理器、显示器、微分析器、存储设备、电路元件等方面外,其在可控粘附领域的应用也得到了长足的发展,与此同时,微纳结构构筑技术的进步及有序微纳结构应用范畴的进一步拓宽也为探讨在微观和介观尺度范围内所产生的化学、物理和生物现象提供了机遇,并且促进了不同学科之间的交叉和融合。本论文中,我们以胶体刻蚀技术和光刻技术为基本加工手段,通过对加工工艺及结构(形貌、参数、材料组成)进行设计,构建具有新型有序微纳结构的图案化表面,并通过后修饰的方式实现表面的功能化及智能化集成,进而对所制备的新型微纳结构在超疏浸润、生物粘附、传感检测等可控粘附领域的应用进行探究。在第二章中,我们利用胶体刻蚀和反应性离子刻蚀技术构建了一种新型的倒角圆柱阵列(CNCAs)结构,为构建图案化或结构化的表面提供了一种新型的构筑基元。随后借助于材料的易修饰性质,通过利用羟基,或具有特殊两亲性的其他分子对表面进行后修饰实现了液滴在cncas表面发生浸润行为的调节,即实现了水的浸润行为从超亲水到超疏水,而油的浸润从超疏油到亲油状态之间的转换。进一步利用聚n-异丙基丙烯酰胺(pnipaam)对cncas进行功能化时,复合的pnipaam-g-cncas结构表现出超疏油性质,通过温度调控实现了油的浸润行为在超疏油状态和亲油状态之间进行可逆转变,并且在亲油状态时油滴表现出各向异性浸润行为。此外,通过不对称修饰的方法,我们以cncas为基础构建了化学-物理双异质阵列表面,这种异质结构具有双疏浸润性质且保持了诱导液滴各向异性浸润的能力。我们所制备这种新型的硅基倒角圆柱阵列实现了同一基底上的各向异性浸润和超浸润的整合。在第三章中,我们利用一步胶体刻蚀的方法成功的在柔性聚合物基底上构建了高长径比的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)纳米锥阵列,并将这种纳米锥阵列结构用作水下超疏油表面。通过调控刻蚀条件,可以容易的实现具有不同长径比和特征性水下油浸润性的大面积pet纳米锥阵列的制备,所得到的纳米锥阵列的最大的长径比可达6,同时该结构化表面可表现出对水面下油滴的超疏浸润性质,其水下油接触角最大可达到171.8°。当以此种pet纳米锥阵列作为细胞体外培养基底时,该种结构化表面表现出抗生物粘附性质,且能有效的抑制用以维持细胞形态的细胞肌动蛋白骨架结构的形成。此外,我们将pet纳米锥阵列用温度响应性的pnipaam进行修饰可实现油在该表面上浸润行为的温度调控,随着测试温度的变化,水下油滴在复合结构表面可发生超疏油与亲油状态的可逆转变,实现了基于柔性材料基底的可调浸润性表面的制备。在第四章中,我们开发了一种通过聚合物刷椭圆环阵列的介导构筑具有可控特征参数蛋白质图案的方法。首先,我们利用胶体晶体辅助压印、去润湿,反应性离子刻蚀,atrp聚合等方法制备得到了具有规整结构的聚合物刷椭圆环阵列,并通过调节刻蚀时间、聚合时间、所用起始胶体模板尺寸等方式对聚合物刷椭圆环阵列的特征结构进行了系统调节。而后,利用聚合物侧链羟基与蛋白质分子上的氨基基团之间的偶联反应,通过将蛋白质向聚合物刷共价接枝的方式制备得到了具有不同长径比和特征尺寸的蛋白质椭圆环阵列。这种共价接枝的方法可有效的避免利用吸附过程制备蛋白质图案中发生的蛋白质解折叠和部分失活现象的发生。同时,将所制备的细胞外基质蛋白(纤维黏连蛋白)阵列作为基底进行细胞体外培养,我们探讨了基底结构的非完全对称性对于细胞体外培养中的粘附行为和肌动蛋白骨架形成的影响。在第五章中,我们开发了一种简便,低能耗的方法利用聚甲基丙烯酸羟乙酯(phema)刷阵列来构建单链dna纳米锥阵列和多级dna图案。通过调控胶体刻蚀所用胶体晶体掩版的尺寸以及刻蚀时间,我们制备得到了具有不同形貌和周期的phema刷纳米锥阵列。而结合胶体刻蚀和光刻两种方法,我们还实现了集成有微米尺度和纳米尺度结构的多级图案的制备。将氨基修饰的单链dna(ssdna)向聚合物刷侧链共价接枝,我们很容易地制备了具有特征形貌的dna纳米锥阵列和多级图案,同时我们对各步的接枝过程利用afm进行了跟踪,确认了dna接枝及杂化过程结构的变化。此外,共价接枝的dna链维持了其结构转变的特异性,使得制备的ssdna纳米锥阵列可用于对targetdna的传感检测,检测限可达到1.65nm。最后,借助于微流体思想的引入,我们还实现了可用于构建快速、可视化、多组分DNA传感器的多级-多组分的DNA图案的制备。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383;O631.1
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