多尺度功能结构的制备研究

发布时间：2020-05-28 15:50

【摘要】：近年来,微米至纳米尺度的结构赋予传统材料在物理、化学和生物方面新的活力。这些性质不仅来源于物质尺寸降低后的尺度效应,还可能来源于多尺度结构的组合效应、结构本身的几何形貌、单一结构的周期性排列和材料或者结构的响应性。因此,基于多尺度功能材料的研究对基础研究和实际应用都有着重要贡献。自上而下和自下而上的微纳加工方法已经应用于微米尺度、亚微米尺度和纳米尺度特定结构的加工。然而实际研究中需要不同尺度的结构组合在一起,现有加工手段尚不能满足这一需求。本论文以多尺度功能结构的制备为目标,开展了基于自组装技术的亚微米尺度有序结构的制备,基于电流体动力喷印技术的微米尺度结构色图案的制备和基于双光子聚合技术的跨尺度三维结构制备。具体研究内容如下:(1)利用胶体晶体自组装技术构建亚微米尺度周期性有序结构。将亚微米尺度的二氧化硅粒子与光敏性水凝胶结合,通过紫外聚合制备非紧密堆积型光子晶体结构。水凝胶网格锁定了胶体粒子的周期性空间分布,赋予胶体晶体水凝胶薄膜光子禁带的性质;水凝胶网格的形变可以用来调节光子晶体结构的相邻晶面距离,实现其光子禁带可调节。根据胶体晶体水凝胶薄膜的厚度与其光子禁带之间的线性对应关系,利用均匀压力和阶梯压力在时间和空间上实现光子禁带的连续分布,并在可调谐布拉格光栅和衍射光栅中得到应用。该工作利用同一种亚微米尺度的胶体粒子实现了覆盖可见光区域的光子禁带。(2)结合胶体晶体自组装技术和电流体动力喷印技术构建亚微米尺度的有序结构和微米尺度的结构色图案。利用胶体晶体自组装制备亚微米尺度光子晶体结构并获得结构色;利用电流体动力喷印出的离散液滴或者连续纤维限制胶体粒子的自组装区域,得到微米尺度的点状、环状和线段状结构色单元。结构色单元的尺寸及形貌受喷头内径、电压信号参数和接收基底浸润性的控制。内部亚微米尺度的光子晶体结构则受不同墨水溶剂及自组装过程的影响,可以形成紧密堆积型周期性有序结构和无定型光子晶体结构。该工作为利用胶体粒子的可控组装实现微米尺度图案化提供了新方法。(3)利用双光子聚合激光直写加工技术构建具有纳米、亚微米和微米尺度的三维结构。通过曝光量的累加计算描绘出光刻胶中自由基的空间分布,模拟出激光能量、加工速度以及加工轨迹对于聚合结构的影响,以此指导目标结构对应的加工轨迹设计。针对孔道结构,控制环形加工轨迹的直径实现纳米尺度和亚微米尺度的孔道开口;利用不同直径的环形结构沿光轴方向堆叠实现亚微米尺度多种复杂的孔道形貌;发挥双光子聚合的直写加工能力将纳米和亚微米尺度的孔道结构集成到微米尺度结构的指定位置。该工作实现了微纳尺度下三维结构的直写加工。
【图文】：

物质,培养技术,尺度,微纳米

图 1-1 不同尺度下的典型物质。而对于表现出特殊功能的微纳结构而言，其功能主要是由结构尺度降低形成的微纳米尺度环境提供。单一尺度结构可以提供微米、亚微米和纳米尺度的微环境，为微纳米尺度的物质分离、筛选乃至检测提供可能。例如构建亚微米尺度的结构单元有利于细胞的体外培养。作为生物研究中最基础的技术，细胞体外培养的一大难题在于模拟体内生理环境等特定条件，使得体外培养的细胞尽可能反映出细胞的自然状态。平面培养技术凭借经济、便利、易操作的优势在早期研究中广泛应用。然而这种二维培养技术下细胞只能沿平面延伸，导致培养的细胞丧失真实的生物特性和功能。因此，细胞三维培养技术受到越来越多的关注并逐渐替代传统平面培养技术[3, 4]。在这一技术革新的过程中，三维支架结构被用来为细胞培养提供生长和迁移的环境。以原代肝细胞为例，为了保持其细胞活性和分化能力，需要在培养过程中形成原代肝细胞的聚集体[5, 6]。细胞聚集体能够模拟肝小叶内细胞的微立方体形态，，保持细胞与细胞之间的充分接触和紧密连接。传统方法在形成聚集体的同时也造成一定的困扰[7, 8]，比如细胞共培养法和化学修饰法中引入新的物质会造成人体免疫反应；较

纤维诱导,聚集体,亚微米,肝细胞

直径 780 纳米（图1-2c）。在为期 15 天的培养过程中，大部分细胞可以形成直径在 50 微米到 100 微米之间的细胞聚集体并保持良好的活性；少部分直径超过 110 微米的大聚集体在培养7 天后开始凋亡并从纳米纤维脱落；部分聚集体形成椭球体，这一结构有助于聚集体中间区域的氧传输（图 1-2）。这一方法为组织工程和器官芯片研究中所需要的肝细胞大规模培养奠定了基础，并在后续工作中应用于生物人工肝的装置中。2
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383

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