邢金峰，張?倩，茍曉蓉

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雙光子聚合微加工高精密度PEG水凝膠的研究

邢金峰，張?倩，茍曉蓉

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350)

高精密度的水凝膠微結(jié)構(gòu)有利于更好地模擬生物體內(nèi)微環(huán)境，雙光子聚合微加工有望加工出任意形貌的高精密度水凝膠微結(jié)構(gòu)．為了改善微結(jié)構(gòu)的剛性，調(diào)節(jié)光刻膠的成分，加工了3種不同種類的微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的光刻膠用于后續(xù)微結(jié)構(gòu)的加工，研究了正加工和倒加工的差異．進(jìn)一步研究了激光掃描速度對加工時間的影響．結(jié)果表明，適當(dāng)提高聚合物剛性、采用倒加工以及適當(dāng)提高掃描速度可以高效地加工出高精密度的水凝膠微結(jié)構(gòu)．

雙光子聚合微加工；高精密度；PEG；水凝膠微結(jié)構(gòu)

水凝膠是一類吸水只溶脹不溶解、具有三維(3D)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親水性高分子聚合物．由于水凝膠具有較高的含水量，其與生物體內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)很相似，常用于生物醫(yī)療領(lǐng)域的藥物遞送和組織工程方面研究[1-2]．具有精確3D構(gòu)型的水凝膠有利于更好地模擬ECM[3]．傳統(tǒng)的微加工技術(shù)如電子束光刻技術(shù)[4]、干涉光刻[5]、納米壓印光刻技術(shù)[6-7]以及紫外光刻[8]常用于加工二維(2D)或3D微結(jié)構(gòu)，但是這些微加工技術(shù)不能獲得高分辨率的3D微結(jié)構(gòu)．雙光子聚合微加工(two-photon polymerization microfabrication，TPPM)具有三階非線性吸收光學(xué)性質(zhì)，聚合只發(fā)生在激光焦點(diǎn)附近的極小區(qū)域內(nèi)，所以能夠加工高分辨率的任意3D微結(jié)構(gòu)[9-11]．

TPPM常采用層層打印原理，而每一層又是由線組成的，所以人們常用在閾值處加工的線寬來衡量TPPM的加工精度．2014年Xing等[12]采用聚乙二醇丙烯酸二酯(PEGda，n＝700)為單體，將自制引發(fā)劑2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌與環(huán)糊精組裝制備水溶性雙光子引發(fā)劑，在780,nm的激光光源下，掃描速度為10,μm/s下，加工聚合物線的閾值為8.6,mW，對應(yīng)的線寬為200,nm．2015年Xing等[13]利用相同的單體，將2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌與泊洛沙姆組裝制備了水溶性雙光子引發(fā)劑，在相同的條件下，聚合物線的加工閾值為6.29,mW，線分辨率提高到92,nm，但是加工的3D微結(jié)構(gòu)精密度不高，容易變形，難以重復(fù)加工更復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)．所以，微結(jié)構(gòu)維持形狀的能力對加工出高精密度的3D水凝膠至關(guān)重要．此外，TPPM中的加工形式(正加工和倒加工)也可能影響3D水凝膠精密度，以及激光掃描速度會影響3D水凝膠加工效率．所以，改善光刻膠、研究TPPM加工形式和激光掃描速度，將有望高效地加工出高精密度的3D水凝膠．

本文采用廣泛用于藥物遞送和組織工程領(lǐng)域研究的聚乙二醇丙烯酸二酯作為單體，自制引發(fā)劑2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌為雙光子引發(fā)劑，添加少量光敏劑(2-芐基-2-二甲基氨基-1-(4-嗎啉苯基)-丁酮)，制備了不同配比的光刻膠，分別加工了腺病毒、碳納米管以及紅細(xì)胞水凝膠微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行表面形貌的對比；此外，探究了TPPM正加工和倒加工紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)的區(qū)別，研究了激光掃描速度對加工效率的影響．研究結(jié)果為高效加工高分辨率水凝膠微結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)．

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)原料

2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌(N)制備參見文獻(xiàn)[12]；N-溴代丁二酰亞胺、苯甲酰、三苯基膦以及所有溶劑，均為分析純，天津江天化工有限公司；4-甲基苯二甲酸酐，分析純，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；對二甲基氨基苯甲醛，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；泊洛沙姆、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGda，單體，n＝700)以及2-芐基-2-二甲基氨基-1-(4-嗎啉苯基)-丁酮，均為分析純，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；3-(甲基丙基酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，分析純，南京創(chuàng)世化工助劑有限公司；季戊四醇三丙烯酸酯(PE-3A)，分析純，日本共榮社化學(xué)株式會社．

1.2?光刻膠的配制

首先，將2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌與泊洛沙姆按摩爾比1∶1進(jìn)行組裝，制備出水溶性引發(fā)劑(WI)，溶于蒸餾水中，將光敏劑(2-芐基-2-二甲基氨基-1-(4-嗎啉苯基)-丁酮)溶解在DMSO中，再添加單體PEGda，混合均勻，制備出光刻膠a，具體操作步驟見文獻(xiàn)[13]；然后，將PEGda、N和光敏劑3者混勻，攪拌48,h，制備出光刻膠b；最后，將PEGda、N、光敏劑和交聯(lián)劑(PE-3A)4者混合均勻，攪拌48,h，制備出光刻膠c．光刻膠的配比見表1(其中N為2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌)．

表1?光刻膠的配比

Tab.1?Types of photoresist mg

1.3?水凝膠的雙光子聚合微加工

首先，將中心帶十字的玻璃片放在KH570的甲苯溶液中，靜置一夜，使玻璃片表面親水；然后，將玻璃片吹干，在十字中心處放一片中心被剪去的厚度為100,μm的塑料膜，將光刻膠滴在塑料膜鏤空處，蓋上蓋玻片，制成樣品，待加工；最后，安裝上60×油鏡(數(shù)值孔徑為1.42)，滴上油，放上制好的樣品，進(jìn)行加工．TPPM中，采用的激光光源為近紅外Ti：藍(lán)寶石飛秒激光器(120,fs，80,MHz，780,nm)．

1.3.1?光刻膠的優(yōu)化

為了優(yōu)化光刻膠，實(shí)驗(yàn)中主要模擬了腺病毒、碳納米管和60°紅細(xì)胞3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行微加工，選擇出最優(yōu)的光刻膠體系．

1.3.2?TPPM正加工和倒加工的對比

為了提高TPPM加工分辨率和效率，加工了60°紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)和20,μm×10,μm×10,μm(長×寬×高)的長方體，研究了TPPM正加工和倒加工的區(qū)別．

1.3.3?掃描速度對加工時間的影響

加工時間是衡量微加工效率的一個重要參數(shù)．所以，在不同掃描速度下加工了60°紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)，研究了激光掃描速度對加工時間的影響．

1.4?掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

將帶有微結(jié)構(gòu)的玻璃片樣品，噴上一層薄薄的金，然后用SEM(Hitachi S-4800)進(jìn)行觀察．

2?結(jié)果與討論

2.1?光刻膠優(yōu)化

采用光刻膠a微加工的水凝膠微結(jié)構(gòu)如圖1所示(激光功率為7.5,mW，掃描速度為110,μm/s)．其中圖1(a)、(c)、(e)是微結(jié)構(gòu)的模型，圖1(b)、(d)、(f)是加工的微結(jié)構(gòu)．文獻(xiàn)[13]中報道的其聚合閾值為6.29,mW，線寬為92,nm，線分辨率較高．但是由圖1可以看出，加工的3D微結(jié)構(gòu)由于剛性不夠，容易變形，圖1(b)中的腺病毒結(jié)構(gòu)中的線條不是很分明；圖1(d)中的碳納米管結(jié)構(gòu)整體上就發(fā)生了明顯的變形，本來是六邊形的孔也發(fā)生了嚴(yán)重的變形；與平面成60°的紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)(見圖1(f))在加工過程中就發(fā)生了變形，沒有加工出完整的結(jié)構(gòu)．所以，如果利用TPPM來重復(fù)地加工高分辨率復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，僅僅線分辨率高是不夠的，還需要加工的聚合物具有一定的剛性，在加工過程中不會發(fā)生較大的變形，才能保證高效地加工出高分辨率的3D微結(jié)構(gòu)．

圖1?光刻膠a加工的水凝膠微結(jié)構(gòu)

考慮到在光刻膠a中，用泊洛沙姆包附了引發(fā)劑2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌，會影響引發(fā)劑的引發(fā)效率；另外，光刻膠a中含有水和DMSO等易流動的溶劑，也容易造成加工的聚合物發(fā)生移動或變化．綜合上面兩個因素，并結(jié)合單體PEGda兼具水溶性和油溶性，實(shí)驗(yàn)中將單體、引發(fā)劑和光敏劑三者直接混勻，制備出本體光刻膠b，再進(jìn)行微加工得到的微結(jié)構(gòu)如圖2所示(激光功率為6.3,mW，掃描速度為110,μm/s)．由圖2(a)可以看出，加工的腺病毒結(jié)構(gòu)有變形；相比于圖1(c)中的碳納米管，從整體上看，圖2(b)中的碳納米管變形小了些，但是六邊形孔還是發(fā)生了收縮，近似成圓形；此外，仍然未成功加工出60°的紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)，如圖2(c)所示．

所以，為了改善聚合物的剛性，這里進(jìn)一步調(diào)節(jié)了光刻膠的配比，加入了少量交聯(lián)劑PE-3A，使單體(PEGda)與交聯(lián)劑(PE-3A)的質(zhì)量比為9∶1，配制成了光刻膠c，加工的微結(jié)構(gòu)如圖3所示(激光功率為6.0,mW，掃描速度為110,μm/s)．圖3(a)中的腺病毒結(jié)構(gòu)表面線條分明；圖3(b)中的碳納米管結(jié)構(gòu)整體上沒有明顯的變形，六邊形孔棱角分明，右上角放大的六邊形孔形狀保持得較好；此外，圖3(c)中的紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)成功加工出來，說明該光刻膠體系c具有適當(dāng)?shù)膭傂裕型庸じ喔叻直媛?、?fù)雜的水凝膠微結(jié)構(gòu)．所以，這里選擇光刻膠c作為優(yōu)化的光刻膠體系，進(jìn)行后續(xù)的微加工．

圖2?光刻膠b加工的水凝膠微結(jié)構(gòu)

圖3?光刻膠c加工的水凝膠微結(jié)構(gòu)

2.2?TPPM正加工和倒加工比較

在TPPM中，可以根據(jù)玻璃片的正放置和倒放置將加工分為正加工和倒加工，其原理如圖4所示．圖4(a)是倒加工原理，即在上玻璃片進(jìn)行加工，加工方向由上至下，激光不穿過已加工的部分，而進(jìn)行后續(xù)加工；圖4(b)是正加工原理，即在下玻璃片加工，方向由下至上，激光需要穿過已加工部分再進(jìn)行后續(xù)加工，這樣如果微結(jié)構(gòu)較高，則會有激光能量的耗散，結(jié)構(gòu)上端可能因?yàn)槟芰坎蛔愣l(fā)生變形，甚至也可能使激光方向發(fā)生偏移．

實(shí)驗(yàn)中，通過模擬60°的紅細(xì)胞(見圖5)和長方體(見圖6)，再通過正加工和倒加工兩種方法進(jìn)行TPPM(激光功率為6.5,mW，掃描速度為110,μm/s)．從圖5可以看出，對于這種優(yōu)化的光刻膠c體系，無論是正加工(見圖5(a))還是倒加工(見圖5(b))，都能成功加工出這種60°紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)，但是正加工的微結(jié)構(gòu)箭頭所指處有變形，而倒加工的微結(jié)構(gòu)更加符合原模型，無明顯變形．另外，采用正加工和倒加工方法加工的20,μm×10,μm×10,μm長方體如圖6所示(激光功率為6.5,mW，掃描速度為110 μm/s)．正加工的微結(jié)構(gòu)(見圖6(a))比倒加工的微結(jié)構(gòu)(見圖6(b))表面粗糙，可能原因是正加工中已加工部分使激光軌跡不穩(wěn)定．所以TPPM中，加工復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)，采用倒加工的效果會更好．

圖4?TPPM中倒加工和正加工示意

圖5?TPPM中正加工和倒加工紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)

2.3?激光掃描速度對加工時間的影響

TPPM中，加工時間是衡量加工效率的一個重要參數(shù)，而激光掃描速度又是影響加工時間的一個重要參數(shù)．當(dāng)微結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性，可以適當(dāng)提高加工速度來縮短加工的時間，從而提高微加工的效率．如圖7所示，當(dāng)速度由110 μm/s 增加至1,100 μm/s時，紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)仍然能加工出來，加工時間分別為15,min、9,min、6,min、5,min、4.5,min、4.1,min、3.9,min(從左至右)．即當(dāng)速度由110 μm/s 增加至1,100 μm/s時，時間由15 min縮短至3.9 min，大大提高了加工的效率．理論上，當(dāng)掃描速度增加，微結(jié)構(gòu)剛性會降低，但是不足以引起微結(jié)構(gòu)變形．所以，選擇掃描速度時，需要根據(jù)具體的條件，盡量增加掃描速度以縮短加工時間，同時又不會使微結(jié)構(gòu)變形，那么這個掃描速度就是適當(dāng)?shù)模?/p>

圖6?TPPM中正加工和倒加工長方體微結(jié)構(gòu)

圖7?不同掃描速度下加工60°紅細(xì)胞微結(jié)構(gòu)

3?結(jié)?語

本文通過模擬3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行TPPM，對比微結(jié)構(gòu)分辨率，優(yōu)化了光刻膠，使加工的微結(jié)構(gòu)具有一定的剛性；然后利用此光刻膠研究了正加工和倒加工的差異，結(jié)果表明倒加工更有利于復(fù)雜3D微結(jié)構(gòu)的加工；在確定了光刻膠c和倒加工后，最后研究了激光掃描速度對加工時間的影響，適當(dāng)增加掃描速度，可以大大縮短加工時間，提高加工效率．所以，這三方面研究為快速雙光子聚合微加工制備高精密度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)奠定了重要基礎(chǔ)．

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(責(zé)任編輯：田?軍)

PEG Hydrogel with High Precision Fabricated by Two-Photon Polymerization Microfabrication

Xing Jinfeng，Zhang Qian，Gou Xiaorong

(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

Hydrogel microstructure with high precision could better simulate the microenvironment in vivo. Two-photon polymerization microfabrication (TPPM) is expected to fabricate arbitrary hydrogel microstructure with high precision. To improve the stiffness of microstructure，the composition of photoresist was tuned to fabricate three kinds of microstructures. The optimal photoresist was chosen to fabricate the subsequent microstructures. The difference between up-down and inversion processing was investigated. Furthermore，the impact of writing speed on processing time was studied. The results show that increasing polymer rigidity，adopting inversion processing and enhancing writing speed together can efficiently fabricate hydrogel microstructures with high precision.

two-photon polymerization microfabrication(TPPM)；high precision；PEG；hydrogel microstructure

10.11784/tdxbz201702027

TK448.21

A

0493-2137(2018)02-0210-05

2017-02-15；

2017-04-17.

邢金峰（1977—??），男，博士，教授.

邢金峰，jinfengxing@tju.edu.cn.

2017-05-27.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20170527.0939.004.html.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31371014).

the National Natural Science Foundation of China(No.,31371014).