【摘要】：近年來(lái),微米至納米尺度的結(jié)構(gòu)賦予傳統(tǒng)材料在物理、化學(xué)和生物方面新的活力。這些性質(zhì)不僅來(lái)源于物質(zhì)尺寸降低后的尺度效應(yīng),還可能來(lái)源于多尺度結(jié)構(gòu)的組合效應(yīng)、結(jié)構(gòu)本身的幾何形貌、單一結(jié)構(gòu)的周期性排列和材料或者結(jié)構(gòu)的響應(yīng)性。因此,基于多尺度功能材料的研究對(duì)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有著重要貢獻(xiàn)。自上而下和自下而上的微納加工方法已經(jīng)應(yīng)用于微米尺度、亞微米尺度和納米尺度特定結(jié)構(gòu)的加工。然而實(shí)際研究中需要不同尺度的結(jié)構(gòu)組合在一起,現(xiàn)有加工手段尚不能滿足這一需求。本論文以多尺度功能結(jié)構(gòu)的制備為目標(biāo),開(kāi)展了基于自組裝技術(shù)的亞微米尺度有序結(jié)構(gòu)的制備,基于電流體動(dòng)力噴印技術(shù)的微米尺度結(jié)構(gòu)色圖案的制備和基于雙光子聚合技術(shù)的跨尺度三維結(jié)構(gòu)制備。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)利用膠體晶體自組裝技術(shù)構(gòu)建亞微米尺度周期性有序結(jié)構(gòu)。將亞微米尺度的二氧化硅粒子與光敏性水凝膠結(jié)合,通過(guò)紫外聚合制備非緊密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)。水凝膠網(wǎng)格鎖定了膠體粒子的周期性空間分布,賦予膠體晶體水凝膠薄膜光子禁帶的性質(zhì);水凝膠網(wǎng)格的形變可以用來(lái)調(diào)節(jié)光子晶體結(jié)構(gòu)的相鄰晶面距離,實(shí)現(xiàn)其光子禁帶可調(diào)節(jié)。根據(jù)膠體晶體水凝膠薄膜的厚度與其光子禁帶之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用均勻壓力和階梯壓力在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)光子禁帶的連續(xù)分布,并在可調(diào)諧布拉格光柵和衍射光柵中得到應(yīng)用。該工作利用同一種亞微米尺度的膠體粒子實(shí)現(xiàn)了覆蓋可見(jiàn)光區(qū)域的光子禁帶。(2)結(jié)合膠體晶體自組裝技術(shù)和電流體動(dòng)力噴印技術(shù)構(gòu)建亞微米尺度的有序結(jié)構(gòu)和微米尺度的結(jié)構(gòu)色圖案。利用膠體晶體自組裝制備亞微米尺度光子晶體結(jié)構(gòu)并獲得結(jié)構(gòu)色;利用電流體動(dòng)力噴印出的離散液滴或者連續(xù)纖維限制膠體粒子的自組裝區(qū)域,得到微米尺度的點(diǎn)狀、環(huán)狀和線段狀結(jié)構(gòu)色單元。結(jié)構(gòu)色單元的尺寸及形貌受噴頭內(nèi)徑、電壓信號(hào)參數(shù)和接收基底浸潤(rùn)性的控制。內(nèi)部亞微米尺度的光子晶體結(jié)構(gòu)則受不同墨水溶劑及自組裝過(guò)程的影響,可以形成緊密堆積型周期性有序結(jié)構(gòu)和無(wú)定型光子晶體結(jié)構(gòu)。該工作為利用膠體粒子的可控組裝實(shí)現(xiàn)微米尺度圖案化提供了新方法。(3)利用雙光子聚合激光直寫(xiě)加工技術(shù)構(gòu)建具有納米、亞微米和微米尺度的三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)曝光量的累加計(jì)算描繪出光刻膠中自由基的空間分布,模擬出激光能量、加工速度以及加工軌跡對(duì)于聚合結(jié)構(gòu)的影響,以此指導(dǎo)目標(biāo)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的加工軌跡設(shè)計(jì)。針對(duì)孔道結(jié)構(gòu),控制環(huán)形加工軌跡的直徑實(shí)現(xiàn)納米尺度和亞微米尺度的孔道開(kāi)口;利用不同直徑的環(huán)形結(jié)構(gòu)沿光軸方向堆疊實(shí)現(xiàn)亞微米尺度多種復(fù)雜的孔道形貌;發(fā)揮雙光子聚合的直寫(xiě)加工能力將納米和亞微米尺度的孔道結(jié)構(gòu)集成到微米尺度結(jié)構(gòu)的指定位置。該工作實(shí)現(xiàn)了微納尺度下三維結(jié)構(gòu)的直寫(xiě)加工。
【圖文】：

圖 1-1 不同尺度下的典型物質(zhì)。而對(duì)于表現(xiàn)出特殊功能的微納結(jié)構(gòu)而言，其功能主要是由結(jié)構(gòu)尺度降低形成的微納米尺度環(huán)境提供。單一尺度結(jié)構(gòu)可以提供微米、亞微米和納米尺度的微環(huán)境，為微納米尺度的物質(zhì)分離、篩選乃至檢測(cè)提供可能。例如構(gòu)建亞微米尺度的結(jié)構(gòu)單元有利于細(xì)胞的體外培養(yǎng)。作為生物研究中最基礎(chǔ)的技術(shù)，細(xì)胞體外培養(yǎng)的一大難題在于模擬體內(nèi)生理環(huán)境等特定條件，使得體外培養(yǎng)的細(xì)胞盡可能反映出細(xì)胞的自然狀態(tài)。平面培養(yǎng)技術(shù)憑借經(jīng)濟(jì)、便利、易操作的優(yōu)勢(shì)在早期研究中廣泛應(yīng)用。然而這種二維培養(yǎng)技術(shù)下細(xì)胞只能沿平面延伸，導(dǎo)致培養(yǎng)的細(xì)胞喪失真實(shí)的生物特性和功能。因此，細(xì)胞三維培養(yǎng)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注并逐漸替代傳統(tǒng)平面培養(yǎng)技術(shù)[3, 4]。在這一技術(shù)革新的過(guò)程中，三維支架結(jié)構(gòu)被用來(lái)為細(xì)胞培養(yǎng)提供生長(zhǎng)和遷移的環(huán)境。以原代肝細(xì)胞為例，為了保持其細(xì)胞活性和分化能力，需要在培養(yǎng)過(guò)程中形成原代肝細(xì)胞的聚集體[5, 6]。細(xì)胞聚集體能夠模擬肝小葉內(nèi)細(xì)胞的微立方體形態(tài)，，保持細(xì)胞與細(xì)胞之間的充分接觸和緊密連接。傳統(tǒng)方法在形成聚集體的同時(shí)也造成一定的困擾[7, 8]，比如細(xì)胞共培養(yǎng)法和化學(xué)修飾法中引入新的物質(zhì)會(huì)造成人體免疫反應(yīng)；較

直徑 780 納米（圖1-2c）。在為期 15 天的培養(yǎng)過(guò)程中，大部分細(xì)胞可以形成直徑在 50 微米到 100 微米之間的細(xì)胞聚集體并保持良好的活性；少部分直徑超過(guò) 110 微米的大聚集體在培養(yǎng)7 天后開(kāi)始凋亡并從納米纖維脫落；部分聚集體形成橢球體，這一結(jié)構(gòu)有助于聚集體中間區(qū)域的氧傳輸（圖 1-2）。這一方法為組織工程和器官芯片研究中所需要的肝細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，并在后續(xù)工作中應(yīng)用于生物人工肝的裝置中。2
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383

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本文編號(hào)：2685473