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  仿生功能材料是材料科學(xué)的一個重要分支。仿生是一切新材料發(fā)展的源泉，它的科學(xué)意義在于將認(rèn)識自然、模仿自然、超越自然有機(jī)結(jié)合，將結(jié)構(gòu)及功能的協(xié)同互補(bǔ)有機(jī)結(jié)合，為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了新思路、新理論和新方法。特別是面向重大應(yīng)用導(dǎo)向的仿生材料的制備，一直是材料合成領(lǐng)域的熱點和難點。

  最近，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所王樹濤研究員團(tuán)隊提出了一種乳液界面聚合的方法，可實現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)組成各向異性微球的可控制備。該研究成果以“A general strategy to synthesize chemically and topologically anisotropic Janus particles”為題發(fā)表在Science子刊《Science Advances》上。

  王樹濤研究員團(tuán)隊長期致力于仿生多尺度粘附可控界面材料的研究，如抗粘附界面材料、高效生物識別粘附界面和器件以及疾病早期診斷等方面的研究。率先提出“結(jié)構(gòu)匹配與分子識別”協(xié)同的生物識別粘附效應(yīng)，發(fā)展了循環(huán)腫瘤細(xì)胞的分離檢測器件與技術(shù) (Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 8970-8973; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3084-3088; Adv. Mater., 2013, 25, 922-927; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 7603-7609; Nano Lett., 2016, 16, 766-772)。在前期工作中，受免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞特異性粘附啟發(fā)，利用免疫細(xì)胞的吞噬功能使其內(nèi)吞氧化鐵納米顆粒具有磁性，再復(fù)形制備了具有免疫細(xì)胞結(jié)構(gòu)的磁珠，從血液中分離痕量腫瘤細(xì)胞的效率遠(yuǎn)高于商業(yè)化磁珠（無表面結(jié)構(gòu)）(Adv. Mater., 2015, 27, 310-313)。然而，這種仿免疫細(xì)胞磁珠制備過程復(fù)雜，需要大量的細(xì)胞培養(yǎng)，無法實現(xiàn)大規(guī)模制備及商業(yè)化應(yīng)用。因此，如何實現(xiàn)仿免疫細(xì)胞的規(guī)�；苽涫菦Q定仿免疫細(xì)胞磁珠應(yīng)用的關(guān)鍵！

  乳液聚合是制備聚合物磁珠的一種經(jīng)典方法，他們嘗試?yán)萌橐壕酆系姆椒▉硪?guī)模化制備仿免疫細(xì)胞磁珠。在利用乳液聚合制備仿免疫細(xì)胞細(xì)胞磁珠的過程中，為了在細(xì)胞捕獲過程中降低非特異性細(xì)胞粘附，他們選用帶負(fù)電的親水性的丙烯酸作為共聚單體。他們嘗試將親水和疏水乙烯基單體同時引入到油水界面體系，構(gòu)筑了水（親水單體水溶液）包油（疏水性單體）的乳液界面，提出乳液界面聚合的方法來制備仿免疫細(xì)胞磁珠。

  在一次偶然的實驗中，他們得到了月牙結(jié)構(gòu)的微球，這一奇特的結(jié)構(gòu)引起了他們極大的興趣。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這是一種乳液界面聚合的新方法，在這種體系中，疏水性的引發(fā)劑首先在油滴內(nèi)部引發(fā)疏水性單體的聚合，生成一個聚合物活性核。當(dāng)聚合物活性核運動到油水界面上時，其表面活性位點能夠引發(fā)水相中的親水單體發(fā)生聚合。從而將聚合物活性核錨定在油水界面上，進(jìn)而發(fā)生界面錨定聚合。親水性單體和疏水性單體在界面的優(yōu)先共聚，最終形成具有親水親油性質(zhì)的各向異性Janus微球。通過調(diào)節(jié)親疏水單體濃度、聚合時間可實現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的Janus微球的可控制備。

  這種方法具有非常好的普適性，可適用于各種類型的聚合反應(yīng)體系，例如界面縮聚反應(yīng)、離子聚合、配位聚合等。同時，基于Janus微球獨特的月牙結(jié)構(gòu)，并利用其親疏水兩面性質(zhì)的不同，可實現(xiàn)不同粒徑微球的分選以及細(xì)菌分離 (Sci. Adv. 2017, 3, e1603203)。這種方法不僅可以合成各向異性的Janus微球，還可以合成具有多孔結(jié)構(gòu)的球形微球。同時，這種方法還可以擴(kuò)展到二維Janus膜材料的制備，基于膜兩側(cè)性質(zhì)的差異，可實現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)性形變 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。該種方法打破了傳統(tǒng)乳液聚合只形成球形微球的限制，開辟了乳液聚合的新方向。

(a) 乳液界面聚合機(jī)理。 (b) 低倍掃描電子顯微鏡結(jié)果表明合成的月牙結(jié)構(gòu)的微球具有良好的尺寸均一性（左側(cè)）。同時，元素分析結(jié)果表明微球具有兩面性質(zhì)（右側(cè)），相比于疏水性的聚苯乙烯-聚二乙烯基苯（PSDVB），O元素僅存在于聚丙烯酸（PAA）上，因此，證明微球凹面為疏水性的PSDVB，凸面為親水性的PAA；(c) 三元相圖顯示出各向異性微球的形成條件為：nSt / ntotal < 0.625, nDVB / ntotal < 0.625 and nAA / ntotal < 0.75；(d) 月牙結(jié)構(gòu)微球經(jīng)超薄切片后的透射電子顯微鏡圖，PAA層的厚度為53 ± 20 nm；(e) 通過調(diào)節(jié)親疏水性單體組成比例，可實現(xiàn)各向異性微球的可控合成。同時，微球表面的化學(xué)各向異性，包括表面電荷、兩親性也隨著微球形貌的改變而發(fā)生變化。

  該論文的第一作者為中科院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)實驗室的樊俊兵博士，通訊作者為王樹濤研究員。該論文的合作者還包括中科院物理所谷林研究員、吉林大學(xué)呂中元教授和劉鴻博士。

  該工作得到了的國家自然科學(xué)基金杰出青年基金，中組部國家“萬人計劃”青年拔尖人才項目，北京市科委計劃項目等的資金支持。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1603203