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理化所高性能水溶性雙光子光功能材料3D打印研究獲進展

儀表研發 2021年06月23日 15:20:55 來源:理化技術研究所人氣:13608
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  【儀表網 儀表研發】微納3D打印技術能夠實現具有納米精度的3D微納結構的加工,在一些領域具有廣泛的應用前景。飛秒激光雙光子微納加工技術是一種基于非線性光學效應的微納3D打印技術,能夠突破光學衍射極限的限制,實現3D復雜微納結構與器件的可控制備。以水為介質的水相環境飛秒激光雙光子微納3D打印具有綠色環保、生物相容性好等優點,引發生物醫學組織工程領域的廣泛關注,成為近年來微納3D打印的重要發展方向和熱點之一。然而,圍繞水相環境雙光子微納3D打印核心技術,由于現有雙光子引發劑的水溶性差、雙光子聚合引發效率低,導致制備出的三維水凝膠微結構精度差、細胞毒性大,存在如何提高材料的水溶性和生物相容性,從而提高結構精細度等科學問題。
 
  中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室研究員鄭美玲團隊近期在水溶性雙光子引發劑設計及應用方面取得進展。在前期工作的基礎上,進一步提出了高性能水溶性雙光子光功能材料分子設計思想與策略,有效提高了雙光子吸收截面和生物相容性,解決了非水溶性材料的雙光子吸收特性與水溶性難以兼顧的難題,設計合成了一系列高效水溶性雙光子引發劑,并應用于仿生3D水凝膠結構的構筑。相關研究成果發表在ACS Applied Materials and Interfaces上。
 
  研究人員在利用離子型π共軛體系以提高雙光子引發劑的水溶性和雙光子吸收特性的同時,還通過結合不同的疏水基團調節其生物相容性。在水相環境下的雙光子聚合過程中,利用具有相對較大內腔尺寸和良好的水溶性的葫蘆脲7作為主體對引發劑分子進行包結,通過改變聚合微環境,進一步提高了雙光子吸收截面,從而提高了引發效率。等溫量熱滴定測試和量子化學模擬結構顯示主客體化學相互作用后絡合物的最佳絡合比為1:1。研究人員利用這種新型水溶劑引發劑結合水溶性單體,設計了組分簡單的水相聚合光敏材料,并且實現了聚合閾值僅為3.7 mW、最細線寬180 nm的水相環境中的高精細仿生水凝膠結構的構筑。
 
  研究人員利用該光敏體系實現了結構保真度和力學性能良好的仿生3D水凝膠細胞支架結構的3D打印,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劑具有良好的生物相容性,這為水凝膠材料在組織工程領域中的應用提供了科學依據。
 
  該工作是研究人員前期一系列仿生水凝膠工作的深入和拓展(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1782–1789;ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 42247–42257;Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273–280;J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491;Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039;J. Mater. Chem. B 2014, 2, 4318-4323)。研究工作得到科學技術部納米科技重點專項、國家自然科學基金委員會面上基金、中科院國際伙伴計劃等的支持。
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