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  仿生功能材料是材料科學的一個重要分支。仿生是一切新材料發展的源泉，它的科學意義在于將認識自然、模仿自然、超越自然有機結合，將結構及功能的協同互補有機結合，為科學技術創新提供了新思路、新理論和新方法。特別是面向重大應用導向的仿生材料的制備，一直是材料合成領域的熱點和難點。

  最近，中國科學院理化技術研究所王樹濤研究員團隊提出了一種乳液界面聚合的方法，可實現拓撲結構和化學組成各向異性微球的可控制備。該研究成果以“A general strategy to synthesize chemically and topologically anisotropic Janus particles”為題發表在Science子刊《Science Advances》上。

  王樹濤研究員團隊長期致力于仿生多尺度粘附可控界面材料的研究，如抗粘附界面材料、高效生物識別粘附界面和器件以及疾病早期診斷等方面的研究。率先提出“結構匹配與分子識別”協同的生物識別粘附效應，發展了循環腫瘤細胞的分離檢測器件與技術 (Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 8970-8973; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3084-3088; Adv. Mater., 2013, 25, 922-927; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 7603-7609; Nano Lett., 2016, 16, 766-772)。在前期工作中，受免疫細胞與腫瘤細胞特異性粘附啟發，利用免疫細胞的吞噬功能使其內吞氧化鐵納米顆粒具有磁性，再復形制備了具有免疫細胞結構的磁珠，從血液中分離痕量腫瘤細胞的效率遠高于商業化磁珠（無表面結構）(Adv. Mater., 2015, 27, 310-313)。然而，這種仿免疫細胞磁珠制備過程復雜，需要大量的細胞培養，無法實現大規模制備及商業化應用。因此，如何實現仿免疫細胞的規模化制備是決定仿免疫細胞磁珠應用的關鍵！

  乳液聚合是制備聚合物磁珠的一種經典方法，他們嘗試利用乳液聚合的方法來規模化制備仿免疫細胞磁珠。在利用乳液聚合制備仿免疫細胞細胞磁珠的過程中，為了在細胞捕獲過程中降低非特異性細胞粘附，他們選用帶負電的親水性的丙烯酸作為共聚單體。他們嘗試將親水和疏水乙烯基單體同時引入到油水界面體系，構筑了水（親水單體水溶液）包油（疏水性單體）的乳液界面，提出乳液界面聚合的方法來制備仿免疫細胞磁珠。

  在一次偶然的實驗中，他們得到了月牙結構的微球，這一奇特的結構引起了他們極大的興趣。進一步研究發現，這是一種乳液界面聚合的新方法，在這種體系中，疏水性的引發劑首先在油滴內部引發疏水性單體的聚合，生成一個聚合物活性核。當聚合物活性核運動到油水界面上時，其表面活性位點能夠引發水相中的親水單體發生聚合。從而將聚合物活性核錨定在油水界面上，進而發生界面錨定聚合。親水性單體和疏水性單體在界面的優先共聚，最終形成具有親水親油性質的各向異性Janus微球。通過調節親疏水單體濃度、聚合時間可實現不同拓撲結構和表面化學的Janus微球的可控制備。

  這種方法具有非常好的普適性，可適用于各種類型的聚合反應體系，例如界面縮聚反應、離子聚合、配位聚合等。同時，基于Janus微球獨特的月牙結構，并利用其親疏水兩面性質的不同，可實現不同粒徑微球的分選以及細菌分離 (Sci. Adv. 2017, 3, e1603203)。這種方法不僅可以合成各向異性的Janus微球，還可以合成具有多孔結構的球形微球。同時，這種方法還可以擴展到二維Janus膜材料的制備，基于膜兩側性質的差異，可實現環境響應性形變 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。該種方法打破了傳統乳液聚合只形成球形微球的限制，開辟了乳液聚合的新方向。

(a) 乳液界面聚合機理。 (b) 低倍掃描電子顯微鏡結果表明合成的月牙結構的微球具有良好的尺寸均一性（左側）。同時，元素分析結果表明微球具有兩面性質（右側），相比于疏水性的聚苯乙烯-聚二乙烯基苯（PSDVB），O元素僅存在于聚丙烯酸（PAA）上，因此，證明微球凹面為疏水性的PSDVB，凸面為親水性的PAA；(c) 三元相圖顯示出各向異性微球的形成條件為：nSt / ntotal < 0.625, nDVB / ntotal < 0.625 and nAA / ntotal < 0.75；(d) 月牙結構微球經超薄切片后的透射電子顯微鏡圖，PAA層的厚度為53 ± 20 nm；(e) 通過調節親疏水性單體組成比例，可實現各向異性微球的可控合成。同時，微球表面的化學各向異性，包括表面電荷、兩親性也隨著微球形貌的改變而發生變化。

  該論文的第一作者為中科院理化技術研究所仿生智能界面科學實驗室的樊俊兵博士，通訊作者為王樹濤研究員。該論文的合作者還包括中科院物理所谷林研究員、吉林大學呂中元教授和劉鴻博士。

  該工作得到了的國家自然科學基金杰出青年基金，中組部國家“萬人計劃”青年拔尖人才項目，北京市科委計劃項目等的資金支持。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1603203