細胞表界面擁有復(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胞行為、生物識別、物質(zhì)與信息傳輸?shù)取Ｊ茏匀唤鐔l(fā)，研究者們結(jié)合微納米技術(shù)可通過在表面上構(gòu)筑共價接枝大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)來模擬生物界面，從而實現(xiàn)具有獨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，中山大學的謝莊副教授和深圳大學的周學昌教授（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。本文首先簡要介紹了表面接枝大分子的特點，然后總結(jié)了復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)制備自2014年來的最新進展，重點介紹了實現(xiàn)可控表面結(jié)構(gòu)與多組分復(fù)雜大分子陣列的策略，并對這些復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進行了簡要討論。
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現(xiàn)光化學圖案化。
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)境刺激和鏈的化學性質(zhì)進行調(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)展可實現(xiàn)對聚合物刷的接枝密度進行靈活調(diào)節(jié)，及實現(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現(xiàn)三維聚合物刷結(jié)構(gòu)。首先，可以通過聚合動力學控制生長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的聚合物鏈。基于這些原理，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)化為表面的化學密度，即可以快速實現(xiàn)任意超精細三維納米結(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，還可將對化學組分的控制擴展到三維空間。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)合可同時實現(xiàn)對多種大分子結(jié)構(gòu)的形貌及組分在三維層面上的精確控制，實現(xiàn)復(fù)雜功能表面的制備（圖4）。在同時接枝過程中，可以通過多組分打印技術(shù)將多個微納級反應(yīng)溶液定點放置于基底，以實現(xiàn)不同組分同時與表面相連接。所采用的多組分打印技術(shù)包括利用毛細管、噴嘴、微通道懸臂等的微液滴點樣、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)合微流控實現(xiàn)表面光化學調(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研究領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力。在微納加工中，化學穩(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微納結(jié)構(gòu)、電化學微電極陣列或復(fù)雜的微機電機械系統(tǒng)。對接枝大分子結(jié)構(gòu)形貌與組分的精確控制可廣泛應(yīng)用于化學過程、生物大分子及細胞行為的基礎(chǔ)研究，比如制備高靈敏即時檢驗生物芯片對DNA、抗體、癌細胞等進行檢測，利用表面納米結(jié)構(gòu)和刺激-響應(yīng)鏈行為在單細胞水平上控制細胞的粘附、生長、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)芯片上進行高通量分析。(C-D)三維聚合物刷實現(xiàn)蛋白高密度固定與細胞選擇性粘附。(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。對剛進入這一領(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)用潛力已得到驗證，但考慮到實際應(yīng)用環(huán)境下的長期使用，仍有大量工作值得進行。希望通過多學科的交叉和合作，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
作者簡介：
謝莊副教授為中山大學2017年“百人計劃”引進人才。于香港理工大學紡織與制衣學系獲博士學位，在美國西北大學化學系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項及廣東省、廣州市項目。主要研究方向為微納米打印、功能高分子表界面、柔性可穿戴器件等。
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