細(xì)胞表界面擁有復(fù)雜度媲美甚至超越微電子芯片的多功能化復(fù)合生化結(jié)構(gòu)體系,其決定了各種奇妙的細(xì)胞行為、生物識(shí)別、物質(zhì)與信息傳輸?shù)。受自然界啟發(fā),研究者們結(jié)合微納米技術(shù)可通過在表面上構(gòu)筑共價(jià)接枝大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)來模擬生物界面,從而實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特表界面功能的高分子復(fù)雜圖案及高通量生物分子多功能芯片等。
近日,中山大學(xué)的謝莊副教授和深圳大學(xué)的周學(xué)昌教授(共同通訊作者)在Soft Matter刊登了題為“Recent Progress in Creating Complex and Multiplexed Surface-Grafted Macromolecular Architectures”的綜述。本文首先簡(jiǎn)要介紹了表面接枝大分子的特點(diǎn),然后總結(jié)了復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)制備自2014年來的最新進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了實(shí)現(xiàn)可控表面結(jié)構(gòu)與多組分復(fù)雜大分子陣列的策略,并對(duì)這些復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論。
1. 以接枝大分子鏈為模塊構(gòu)建復(fù)雜表面形貌
圖1 (A-C)聚合物刷在宏觀平面和納米顆粒表面生成聚集聚合物膠束納米陣列。(D-E)接枝DNA在納米尺度可控坍塌制備納米線示意圖。(F)聚(五氟苯基丙烯酸酯)刷通過聚合后修飾制備納米表面褶皺。(G)包含光響應(yīng)型表面活性劑的聚合物刷實(shí)現(xiàn)光化學(xué)圖案化。
不同接枝密度下接枝大分子鏈的不同構(gòu)象轉(zhuǎn)變和自組織行為可以形成聚集的納米結(jié)構(gòu)域或有序的納米晶,這些結(jié)構(gòu)域可以根據(jù)外界環(huán)境刺激和鏈的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1展示了以聚合物刷為媒介,結(jié)合電子束刻蝕、光刻、接觸印刷等,可實(shí)現(xiàn)各種納米形貌的可控制備。另外,近年來合成策略的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物刷的接枝密度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié),及實(shí)現(xiàn)從納米到微米的高度范圍。比如調(diào)節(jié)三維空間內(nèi)的引發(fā)劑密度、控制聚合及接枝條件、利用高分子結(jié)晶實(shí)現(xiàn)接枝等。
結(jié)合微納制造技術(shù),如圖2所示,聚合物刷可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的三維表面納米結(jié)構(gòu)的批量化制備。目前有兩種策略可實(shí)現(xiàn)三維聚合物刷結(jié)構(gòu)。首先,可以通過聚合動(dòng)力學(xué)控制生長(zhǎng)不同分子量的高分子鏈。其次,通過局域接枝密度或納米圖案密度的調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)聚合物刷從坍塌到伸展的構(gòu)象控制。其中控制聚合物刷密度的方法又可分為控制引發(fā)劑密度圖案,與通過選擇性去除已生長(zhǎng)的聚合物鏈;谶@些原理,利用高分辨率納米刻蝕技術(shù)將二維位圖圖像的像素密度轉(zhuǎn)化為表面的化學(xué)密度,即可以快速實(shí)現(xiàn)任意超精細(xì)三維納米結(jié)構(gòu)的制備。
圖2 任意三維聚合物刷納米結(jié)構(gòu)制備示意圖。
2. 多組分復(fù)雜大分子陣列的制備
由于表面接枝允許聚合物層的共價(jià)結(jié)合,且接枝高分子鏈在多步處理過程中可保持穩(wěn)定,因此非常適合在表面上接枝多種化學(xué)成分。在合成過程中,通過在大分子鏈上引入不同的單體,還可將對(duì)化學(xué)組分的控制擴(kuò)展到三維空間。因此,可以將具有不同功能的接枝大分子組合在一起從而模擬復(fù)雜的生物界面環(huán)境。
圖3 (A)典型依序接枝方法的示意圖。(B)用于同時(shí)多路接枝的典型多組分打印技術(shù)示意圖。
制備多組分復(fù)雜表面接枝大分子陣列的方法可分為依序接枝和同時(shí)接枝兩類。如圖3所示,依序接枝中,通常是聚合物接枝過程重復(fù)多個(gè)循環(huán),只要后者不影響之前接枝的鏈或表面即可。其中在光固化3D打印中大放異彩的數(shù)字微鏡投影技術(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種大分子結(jié)構(gòu)的形貌及組分在三維層面上的精確控制,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能表面的制備(圖4)。在同時(shí)接枝過程中,可以通過多組分打印技術(shù)將多個(gè)微納級(jí)反應(yīng)溶液定點(diǎn)放置于基底,以實(shí)現(xiàn)不同組分同時(shí)與表面相連接。所采用的多組分打印技術(shù)包括利用毛細(xì)管、噴嘴、微通道懸臂等的微液滴點(diǎn)樣、激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移、微流體打印以及聚合物筆打印等。其中微通道懸臂打印、激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移、微流體打印等技術(shù)近期被用于生物大分子的表面原位合成以制備多通道復(fù)雜生物芯片。而聚合物筆打印將有望以低成本實(shí)現(xiàn)微納米多組分陣列的高通量制備。
圖4 數(shù)字微鏡投影結(jié)合微流控實(shí)現(xiàn)表面光化學(xué)調(diào)控多組分大分子陣列。(A-C)多組分聚合物刷制備。(D-F)復(fù)雜組分梯度聚合物刷結(jié)構(gòu)制備。(G-I)光化學(xué)降解制備多組分生物分子陣列。
3. 表面接枝大分子復(fù)雜陣列的應(yīng)用
復(fù)雜接枝大分子表面在多個(gè)研究領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力。在微納加工中,化學(xué)穩(wěn)定的接枝層可以作為可靠的抗蝕模板將聚合物微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到其他材料基底。此外,圖案化聚合物刷可用于制造新型光學(xué)微納結(jié)構(gòu)、電化學(xué)微電極陣列或復(fù)雜的微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)接枝大分子結(jié)構(gòu)形貌與組分的精確控制可廣泛應(yīng)用于化學(xué)過程、生物大分子及細(xì)胞行為的基礎(chǔ)研究,比如制備高靈敏即時(shí)檢驗(yàn)生物芯片對(duì)DNA、抗體、癌細(xì)胞等進(jìn)行檢測(cè),利用表面納米結(jié)構(gòu)和刺激-響應(yīng)鏈行為在單細(xì)胞水平上控制細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)、定向和釋放等。
圖5 (A)用3D圖案化PMMA聚合物刷作為蝕刻層制備3D金屬結(jié)構(gòu)。(B)基于生物分子接枝聚合物刷陣列的表面等離子體共振成像(SPRi)芯片上進(jìn)行高通量分析。(C-D)三維聚合物刷實(shí)現(xiàn)蛋白高密度固定與細(xì)胞選擇性粘附。(E)底層交聯(lián)聚丙烯酰胺(PAAm)嵌段和頂部用RGD肽功能化的聚丙烯酸(PAA)嵌段結(jié)構(gòu)用于細(xì)胞粘附研究。
本綜述介紹了接枝大分子結(jié)構(gòu)的表面工程,同時(shí)闡明和分析了在不同的制造策略和應(yīng)用中合成、加工、圖案和功能之間的相關(guān)性。對(duì)剛進(jìn)入這一領(lǐng)域以及那些需要快速了解功能表面接枝結(jié)構(gòu)的性能、加工、性能和應(yīng)用進(jìn)展的人們提供了參考。然而,目前研究在提高大分子接枝體系復(fù)雜性方面仍存在挑戰(zhàn),比如實(shí)現(xiàn)更小尺度的高密度陣列,高通量多路陣列在不同尺度的批量化生產(chǎn),可擦寫,動(dòng)態(tài)切換和自修復(fù)的表面功能等。雖然表面接枝的應(yīng)用潛力已得到驗(yàn)證,但考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的長(zhǎng)期使用,仍有大量工作值得進(jìn)行。希望通過多學(xué)科的交叉和合作,可以解決相關(guān)問題,以獲得更好的控制合成和接枝過程的方法,更精確的結(jié)構(gòu)組成控制以及新功能的開發(fā)。
原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sm/d0sm01043j
作者簡(jiǎn)介:
謝莊副教授為中山大學(xué)2017年“百人計(jì)劃”引進(jìn)人才。于香港理工大學(xué)紡織與制衣學(xué)系獲博士學(xué)位,在美國西北大學(xué)化學(xué)系Chad A. Mirkin組從事博士后研究。近年來在Angew. Chem. Int. Ed,ACS Nano,Small,Science,Sci. Adv.,Adv. Mater.,Adv. Funct. Mater.等雜志發(fā)表文章40余篇,主持國自然面上、青年基金2項(xiàng)及廣東省、廣州市項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)槲⒓{米打印、功能高分子表界面、柔性可穿戴器件等。
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