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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第2期51卷 210-214页

作者：邢金峰张倩苟晓蓉天津大学化工学院天津300350

高精密度的水凝胶微结构有利于更好地模拟生物体内微环境,双光子聚合微加工有望加工出任意形貌的高精密度水凝胶微结构.为了改善微结构的刚性,调节光刻胶的成分,加工了3种不同种类的微结构,优化后的光刻胶用于后续微结构的加工,研究了... 详细信息

高精密度的水凝胶微结构有利于更好地模拟生物体内微环境,双光子聚合微加工有望加工出任意形貌的高精密度水凝胶微结构.为了改善微结构的刚性,调节光刻胶的成分,加工了3种不同种类的微结构,优化后的光刻胶用于后续微结构的加工,研究了正加工和倒加工的差异.进一步研究了激光扫描速度对加工时间的影响.结果表明,适当提高聚合物刚性、采用倒加工以及适当提高扫描速度可以高效地加工出高精密度的水凝胶微结构.

关键词：双光子聚合微加工高精密度 PEG 水凝胶微结构

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高分辨3D水凝胶微结构的双光子聚合水相微加工

高分辨3D水凝胶微结构的双光子聚合水相微加工

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作者：刘玲天津大学

学位级别：硕士

双光子吸收(Two-photon absorption,TPA)是一种三阶非线性光学过程,是指强光激发下,分子通过同时吸收和结合两个低能量的光子(两个光子的能量可以相同也可以不同),诱导分子跃迁到激发电子态的过程。基于双光子吸收特性的双光子聚合具有... 详细信息

双光子吸收(Two-photon absorption,TPA)是一种三阶非线性光学过程,是指强光激发下,分子通过同时吸收和结合两个低能量的光子(两个光子的能量可以相同也可以不同),诱导分子跃迁到激发电子态的过程。基于双光子吸收特性的双光子聚合具有空间选择性高、长波激发短波发射和穿透深度大等优点。因此利用在介质中穿透力强、入射损耗小的近红外激光作为光源的双光子聚合微加工(Two-photon polymerization microfabrication,TPPM)可制备任意的三维微结构,且微结构的分辨率已经超过瑞利判据的光学衍射极限,是一种比较先进的3D直写打印技术。近年来,该技术广泛用于三维信息存储、光子晶体和光波导等光学元件加工。最近TPPM加工用于组织工程和药物递送的3D水凝胶是研究的热点,水凝胶是含水量与软组织相似的聚合物材料。但是TPPM引发剂多为疏水性化合物,需要在有机溶剂体系的树脂中进行,导致部分有机溶剂残留在加工的3D水凝胶微结构中。目前,该领域急需解决的关键问题是:研制水溶性的高活性双光子聚合引发剂,并且提高用水溶性引发剂加工的微结构的分辨率,因为高分辨的3D水凝胶在组织工程和药物递送方面具有重要的作用。针对这一问题,本研究以亲疏水组装的方法来制备水溶性双光子聚合引发剂,并对制备的水溶性双光子聚合引发剂的光学性质和加工性能进行了系统的研究,加工出了分辨率为92 nm的水凝胶线,首次将3D水凝胶的分辨率降到100 nm以下。首先,利用两亲性的泊洛沙姆(PF127)与具有高引发活性引发剂2,7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌进行亲疏水组装,制备水溶性的双光子聚合引发剂(WTPPI)使得水溶性增大,实现水相中生物相容性单体的双光子聚合。WTPPI在波长为780 nm处的双光子吸收截面为200 GM,这比之前报导的水溶性引发剂的双光子吸收截面大很多。引发单体(聚乙二醇丙烯酸酯)聚合的阈值是6.29m W(引发剂在树脂中的摩尔分数是0.03%)。横向分辨率为92 nm。该阈值比最近报导的水相中双光子聚合的阈值8.6 mW低很多,并且首次将水凝胶的分辨率提高到100 nm以下。研究了固定扫描速度和激光功率对线宽的影响,在激光能量为9 mW、扫描速度为10μm/s下,加工了完整的天津大学校徽二维结构。固定扫描速度为110μm/s,在激光能量分别为7.27 mW、9.46 m W、11.27 mW下,加工了精细的三维腺病毒结构,研究激光能量对结构精细度的影响。并加工了碳纳米管结构,研究水凝胶对PH的响应性。我们的3D水凝胶微纳结构加工的研究为其在生物医学方面的应用奠定了基础。

关键词：双光子聚合微加工水凝胶亲疏水组装加工阈值分辨率

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双光子微加工水凝胶的研究及不同形貌复杂水凝胶的加工

双光子微加工水凝胶的研究及不同形貌复杂水凝胶的加工

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作者：苟晓蓉天津大学

学位级别：硕士

水凝胶是一种能够从水环境中吸水溶胀但不溶解的三维(3D)网状聚合物,具有良好的生物相容性,与生物体内细胞外基质(ECM)具有高度的相似性,所以水凝胶被广泛用于药物递送和组织工程等生物医药领域的研究。为了更好地模拟生物体内细胞所处... 详细信息

水凝胶是一种能够从水环境中吸水溶胀但不溶解的三维(3D)网状聚合物,具有良好的生物相容性,与生物体内细胞外基质(ECM)具有高度的相似性,所以水凝胶被广泛用于药物递送和组织工程等生物医药领域的研究。为了更好地模拟生物体内细胞所处的微环境ECM,需要水凝胶具有更精确的构象。传统微加工技术加工的水凝胶分辨率不高,而双光子聚合微加工(TPPM)技术具有三阶非线性光学性质,聚合反应只发生在激光焦点附近的极小体积内,所以能够加工出任意高分辨率3D水凝胶微结构。然而,在TPPM中,激光焦点受电脑控制,轨迹确定,如果已加工的部分刚性不够,发生变形,那么将不能加工出完整的微结构。所以保证TPPM加工的聚合物具有一定的刚性,将有助于加工出高分辨率的3D水凝胶微结构。此外,水凝胶的刚性对细胞行为有重要影响。针对这些问题,本研究首先进行了光刻胶的优化,选择出最优的光刻胶体系,并利用此光刻胶加工的微结构进行了杨氏模量研究。本文通过加工不同模型的水凝胶微结构,对比微结构分辨率,确定了最优光刻胶体系。在扫描速度为10μm/s时,这种光刻胶的线加工阈值为3.50 mW,对应的线宽为151 nm。利用光刻胶加工了30μm×30μm×5μm的长方体微结构,研究了空气中不同激光功率、激光扫描速度以及层间距下的微结构的杨氏模量,分别为108 MPa、9.06.5 MPa和8.78.8 MPa,并研究了水相中不同层间距下微结构的杨氏模量,值为3.5 MPa,接近软骨组织的杨氏模量,有望用于骨组织工程修复。此外,通过调节参数,利用光刻胶加工了各种各样的30°、45°、60°和90°等不同角度的红细胞微结构及其他复杂水凝胶微结构,有望更好地模拟细胞微环境。

关键词：双光子聚合微加工杨氏模量 PEG 水凝胶分辨率

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基于双光子聚合技术的蛋白质基微结构的制备及性能研究

基于双光子聚合技术的蛋白质基微结构的制备及性能研究

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作者：魏书心天津大学

学位级别：硕士

牛血清白蛋白(BSA)作为一种天然蛋白质,不仅具有无毒性、生物降解性、生物相容性等优点,而且由于其成本低、刺激响应性好、性质与人血清白蛋白相似等特性而被广泛研究。制备BSA基可调谐、动态响应且具有精确定义几何形状的智能微结构成... 详细信息

牛血清白蛋白(BSA)作为一种天然蛋白质,不仅具有无毒性、生物降解性、生物相容性等优点,而且由于其成本低、刺激响应性好、性质与人血清白蛋白相似等特性而被广泛研究。制备BSA基可调谐、动态响应且具有精确定义几何形状的智能微结构成为BSA的重要应用方向。通过双光子聚合(TPP)微加工技术可以获得高分辨率的、重现性好的、可控的和多样化的三维(3D)微结构,是理想的加工微结构的技术手段。近年来,该技术广泛用于制备蛋白质基新型功能化微纳结构、器件与集成系统。然而,更准确且更广泛地控制和量化BSA基微结构的性能仍有待全面研究。针对这一问题,本研究利用TPP微加工技术制备了具有表面形貌和pH响应性能可调节的BSA基3D微结构。首先优化了加工工艺参数。优化引发剂浓度为8.5 mM。对激光加工工艺参数进行优化,以获得结构稳定且精确定义的三维BSA基微结构。在优化的参数范围内选择激光功率为18.0 mW、扫描速度为77μm/s、层间距为200 nm作为合适的激光参数进行后续研究。研究了不同蛋白质浓度微结构的表面形貌。用原子力显微镜对蛋白质基长方体微结构的表面粗糙度进行了考察,结果显示三种不同蛋白质浓度(20 wt%、30 wt%和40 wt%)的微结构在空气中的表面平均粗糙度(Ra)均低于30 nm,充分保证了结构的表面质量。而且40 wt%的蛋白质基微结构表面光滑,Ra低于2 nm。以罗马微浮雕为模型进一步研究复杂结构的形貌,实验结果表明微结构表面形貌随着蛋白质浓度的增加呈现梯度式变化,从粗糙多孔到光滑细腻。其次研究了不同蛋白质浓度微结构的pH响应性能。通过长方体模型研究不同蛋白质浓度微结构在不同pH环境下的溶胀行为,获得蛋白质基微结构的宽范围pH溶胀度(1.08-2.71)。使用高浓度的蛋白质设计并制备了熊猫脸型微浮雕,结果表明在外界环境pH值的循环中,微浮雕经历了明显的可逆形变和独特的面部“表情变化”。进一步设计和制备了功能型蛋白质基微筛。通过改变外界环境pH值,蛋白质基微筛的孔洞大小可以被调节,有望用于微粒子分离。并且研究了蛋白质基微结构阵列及其生物相容性。通过TPP微加工得到了4×4和6×6蛋白质基微结构矩阵,整个微阵列均一完整,具有高度可重复性质。用L929细胞与蛋白质基微阵列共同培养,实验结果表明蛋白质基微结构具有良好的生物相容性。

关键词：双光子聚合微加工牛血清白蛋白三维微结构形貌 pH响应

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