梯度微纳有序结构的构筑及应用研究

发布时间：2018-01-07 00:46

本文关键词：梯度微纳有序结构的构筑及应用研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：材料表面微纳米级结构的构筑及其性质研究是现阶段材料科学领域的诸多重要研究课题之一。通过开发不同材质材料表面的微纳加工技术,人们实现了材料表面微纳结构和性质的多样化,并将其运用到生活中的诸多领域。然而,从理论设计到将制备的微纳米级材料最终应用到实际生活中,这一过程总是需要经历不断的实验和调试才能够达到材料性能的最优化并满足人类的需要。为了缩短冗长的调试过程,梯度材料作为一种用于高通量研究材料表面结构与性质之间关系的重要手段在近些年中备受研究者们的青睐。由于梯度材料拥有连续变化的物理结构或者化学组成,其表面也呈现出连续变化的相应性质。得益于上述优势,梯度材料作为一种高通量的模型材料被广泛应用于研究材料结构、组成及性质之间的关系。然而在实际实验过程中,研究者们发现为了更加深入和细致的研究材料与其性质之间的关系,提高微纳结构和化学组成的规整性和明确性是极其有效的途径。因此,为了高效地研究材料结构组成与性质之间关系,发展一个简单有效的可制备多尺寸具有高规整性梯度材料的方法是非常有意义的。在第二章中,我们首先基于等离子刻蚀机腔体内垂直方向上的刻蚀速率差建立了一种通过倾斜刻蚀制备梯度材料的方法。随后,通过一个预先设计的验证实验对这种加工方法的可行性进行了验证。同时,对于刻蚀加工过程中不同的加工条件对于刻蚀结果所产生的影响进行了细致的研究。在建立了这种倾斜刻蚀的制备方法后,我们将其与光刻技术相结合,制备出微米尺度的梯度条带结构。之后将这种倾斜刻蚀法与传统的胶体晶体辅助法刻蚀相结合,发展了一种构筑梯度微纳米有序结构的有效方法。以所制备的梯度胶体微球阵列为掩板,我们制备了多种不同形貌和不同材质的梯度微纳有序结构。通过调整制备条件,材料的特征尺寸能够得到有效地控制。除了制备不同尺寸参数的梯度材料,我们通过多种技术相结合制备出多尺度复合的微纳结构。在第三章中,我们以倾斜刻蚀的方法与胶体晶体辅助刻蚀法相结合的方法制备出形貌呈梯度变化的硅纳米锥阵列。在所制备的梯度硅纳米锥表面修饰烷基化试剂后,在空气中材料表面水的静态接触角、滞后角及滚动角沿着材料表面都呈现明显的梯度变化。当我们在材料表面修饰氨基后,材料表面水相和油相的浸润行为呈现完全相反的状态。这种表面带有有序微纳结构的高通量浸润性材料能够被用于目标浸润材料的高通量筛选,并且基于材料表面明确有序的微纳结构,材料表面水的理论浸润角及浸润状态可以得到系统地分析。由于材料表面结构连续的梯度变化,当使用注射器在样品表面持续注入水时,水会呈单向流动状态即向更加亲水的一端流动。此外,材料表面分别修饰疏水和亲水基团时,表面水的流动方向会发生完全的转变,基于这种现象我们在所制备的样品表面修饰温度刺激响应的聚合物后,通过控制材料的温度便能够实现对水的流动方向的实时控制。在第四章中,我们将倾斜刻蚀的方法与金属气相沉积的方法相结合,把梯度引入至一种具有高灵敏度的银纳米井阵列体系中。以所制备的梯度聚苯乙烯微球阵列为气相沉积掩板,最终我们制备出直径呈梯度变化的银纳米井阵列。受样品表面银微纳结构的形貌参数呈现连续梯度变化的影响,所制备的梯度有序银纳米井阵列成为了一种拥有连续梯度变化光谱的等离子体“库”。通过调节梯度有序银纳米井阵列的晶格间距和孔径,这种等离子体“库”所覆盖的光谱范围能够在不同程度上进行调节。同时,所制备的样品表面不同位置所对应的表面等离子共振(spr)峰都拥有较高的峰高/半峰宽的值。受益于前述的特点,通过这种方法所制备的梯度有序银纳米井阵列能够作为一种精细等离子体“库”。由于所制备的梯度银米井阵列同时拥有良好的可调性、较高的分辨率以及高集成性,其不仅能够应用于光学材料的高通量筛选同时能够作为一种合适的模型去验证spr效应对于表面增强拉曼散射(sers)的增强作用。在第五章中,我们将倾斜刻蚀法与原子转移自由基聚合相结合,在石英基底表面制备出有序梯度蛋白/聚乙二醇(peg)阵列。随后,我们在梯度有序纤维粘连蛋白/peg阵列的表面对大鼠间充质干细胞进行培养。由于样品表面的亲疏细胞基团比例的不同,在培养24h后细胞在其表面的粘附密度呈现明显的梯度变化。同时,通过扫描电子显微镜我们对基底表面细胞的整体粘附形貌和伪足形貌进行了表征,并对其在梯度基底表面呈现梯度粘附的原因进行了分析。此外,由于基底表面化学组成的各向异性分布,在样品表面培养7天后的鼠间充质干细胞的细胞骨架沿梯度方向呈现出明显的极化现象。最终,我们对mc3t3-e1成骨细胞在我们所制备的样品表面的动态行为进行了表征,结果发现细胞在所制备的梯度样品表面会发生明显的定向迁移行为。因此,这种梯度有序蛋白/PEG阵列在诱导细胞行为方面有着显著的效果,同时由于样品表面结构和化学组成的有序性和明确性,对于样品所提供的不同的微环境与其带来的细胞行为之间的关系能够得到系统地研究。
[Abstract]:In the second chapter , we have developed a simple and effective method for preparing gradient material by using gradient material as a kind of high - flux model material . On the surface of quartz substrate , an ordered gradient protein / polyethylene glycol ( peg ) array was prepared .

【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】：TB303

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