Nature子刊 | 纳米级4D打印时代未来可期

（本文来自www.jj00.com）

现在，从微阵列和智能外观到组织工程，基于聚合物刷的模式在已竖立和正在鼓起的研究学科中施展着焦点感化。这些图案化外观的性质取决于单体构成，聚合物高度和整个外观的刷子分布。然而，今朝没有一种平版印刷方式可以自力地调整这些变量，并具有微米级的差别率。众所周知，微流控手艺是指在至少有一维为微米甚至纳米标准的低维通道构造中掌握体积为皮升至纳升的流体进行举止并传质、传热的手艺，，可普遍应用于生化剖析、免疫剖析、微创外科手术、情况监测等浩瀚范畴。 （本文来自www.jj00.com）

基于此，美国纽约市立大学的AdamB.Braunschweig（通信作者）团队报道了一种“聚合物刷超外观光刻”手艺，其能够自力掌握图案中每个像素的单体构成和特征高度，而且像素边缘长度约为5µm，同时避免了对昂贵光掩模的需求。将这些图案称为超曲面，借用从同名的数学概念来透露该图案，在该模式中，每个像素有三个以上的属性能够自力掌握（即用x和y位置透露聚合物高度和化学成分）。因为四维（4D）打印已被用来透露对象的加性制造，且这些对象的外形跟着外部刺激而随时间改变。为了建立这些超外观，作者集成了数字微镜设备（DMD）、微流控手艺和安装在压电..上的无氧回响室（图1）。基于DMD的打印机已与微流体手艺相连系，用于寡核苷酸和寡肽微阵列的制造，并能够制备用于组织工程的支架。该打印机是基于TERA-PrintE系列仪器构建的，其可协调DMD（1024×768个自力可控反射镜）、光源（405nmLED，32mWcm-2）和带有CPU接口的压电..以投射图案从上载的图像文件中获取的图像。惰性氛围腔室由一个密封的聚苯乙烯电池、一个玻璃窗（将光从DMD传递到外观）以及用于将单体溶液引入回响性底物的管子的进口和出口孔构成。功能化基材上的另一块玻璃板形成50µL回响池，个中溶液经由毛细感化力被吸到外观上。由单体、溶剂和光敏剂构成的回响溶液经由打针泵掌握回响池内的流量引入和退出。此外，能够在上游并入微流体混沌夹杂器以夹杂分歧比例的组分。该研究功效以题为“Polymerbrushhypersurfacephotolithography”发布在国际有名期刊NatureCommunications上。

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图1、光化学打印机

关于该研究功效，AdamBraunschweig经常被问到：“是否使用过这种仪器来打印特定的化学物质或预备特定的系统？”。其回覆：“已经建立了一种用于在外观上执行有机化学的新对象，而且其使用和应用仅受用户的想象力及其有机化学常识的限制。”其实，这种称为“聚合物刷超外观光刻”打印方式连系了微流体手艺、有机光化学和进步的纳米光刻手艺，从而建立了一种无掩模打印机，其可以制备精美的有机和生物物质的多路复用阵列。该新系统战胜了另外生物材料打印手艺中存在的很多限制，使得研究人员可以在每个别素上建立具有正确构造化物质和量身定制的化学成分的4D物体，即被称为“超外观光刻”。同时，Braunschweig's实验室的DanielValles谈论该研究功效时，说到：“研究人员一向在起劲使用平版印刷手艺在生物分子的外观上形成图案，但今朝仍没有斥地出一个充沛复杂的系统来构建像细胞外观如许复杂的器材。行使该系统来组装合成细胞，使得研究人员可以复制和懂得活细胞上发生的互相感化，将极其有助于药物和另外仿生手艺的快速成长。”为了验证该概念，研究人员行使正确剂量的光打印聚合物刷模式，以掌握每个像素的聚合物高度。正如自由女神像所示，微流体和光源之间的协调掌握着每个像素的化学成分。

图2、掌握高度和位置

此外，美国西北大学的NathanGianneschi谈论说到：“聚合物化学供应了一套壮大的对象，在整个上个世纪，聚合物化学的立异一向是手艺的首要驱动力。而该研究功效将这种立异扩展到界面上，能够高度可控的体式来制造随意构造的界面，而且可以表征所制造的产物并将其推广到其他聚合物。”

图3、多组分聚合物刷模式

总之，作者斥地了一个用于嵌段共聚物阵列光化学构图的..，该..能够自力掌握>750,000像素中每个像素的位置和构成，并具有微米级的特征差别率。因为外观是由较量机调制的DMD照射，是以能够打印随意图案而不需要使用一系列昂贵的光掩模。个中，微流控手艺和无空气回响室与DMD的集成是一项要害立异，其许可时空掌握将分歧材料接枝到基材上，而且原则上能够用来制造由几乎无限数量的奇特刷子成分的聚合物构成的聚合物图案。此外，还展示了在单次打印中量化聚合物刷动力学的能力，并已打印出无规和嵌段共聚物微阵列，在后者中，沿链的单体构成受到严厉的调控。固然在这里研究了SI-ATRP聚合回响，但该打印机是组合外观光化学的一种通用对象，能够在每个印刷品中测验数百甚至数千种分歧回响前提，有望敏捷加速界面研究范畴的进展。在将来，作者将索求分歧的化学方式、主动化微流体与DMD组合使用，并集成光束笔阵列以提高产量、差别率和通用性。相信在一个软光刻的新时代中，合成外观的复杂性可与生物界面的复杂性相媲美，且或许很快将成为实际。

参考文献：

Polymerbrushhypersurfacephotolithography（NatureCommunications,2020,DOI:10.1038/s41467-020-14990-x）

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