細胞表界面擁有復雜度媲美甚至超越微電子芯片的多功能化復合生化結構體系，其決定了各種奇妙的細胞行為、生物識別、物質與信息傳輸等。受自然界啟發，研究者們結合微納米技術可通過在表面上構筑共價接枝大分子復雜結構來模擬生物界面，從而實現具有獨特表界面功能的高分子復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，然后總結了復雜表面結構制備自2014年來的最新進展，重點介紹了實現可控表面結構與多組分復雜大分子陣列的策略，并對這些復雜大分子結構的應用進行了簡要討論。
1. 以接枝大分子鏈為模塊構建復雜表面形貌
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)包含光響應型表面活性劑的聚合物刷實現光化學圖案化。
不同接枝密度下接枝大分子鏈的不同構象轉變和自組織行為可以形成聚集的納米結構域或有序的納米晶，這些結構域可以根據外界環境刺激和鏈的化學性質進行調節。圖1展示了以聚合物刷為媒介，結合電子束刻蝕、光刻、接觸印刷等，可實現各種納米形貌的可控制備。另外，近年來合成策略的發展可實現對聚合物刷的接枝密度進行靈活調節，及實現從納米到微米的高度范圍。比如調節三維空間內的引發劑密度、控制聚合及接枝條件、利用高分子結晶實現接枝等。
結合微納制造技術，如圖2所示，聚合物刷可實現任意復雜的三維表面納米結構的批量化制備。目前有兩種策略可實現三維聚合物刷結構。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節，可以實現聚合物刷從坍塌到伸展的構象控制。其中控制聚合物刷密度的方法又可分為控制引發劑密度圖案，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將二維位圖圖像的像素密度轉化為表面的化學密度，即可以快速實現任意超精細三維納米結構的制備。
圖2 任意三維聚合物刷納米結構制備示意圖。
2. 多組分復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合，且接枝高分子鏈在多步處理過程中可保持穩定，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雜的生物界面環境。
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示意圖。
制備多組分復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多個循環，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字微鏡投影技術與微流控技術相結合可同時實現對多種大分子結構的形貌及組分在三維層面上的精確控制，實現復雜功能表面的制備（圖4）。在同時接枝過程中，可以通過多組分打印技術將多個微納級反應溶液定點放置于基底，以實現不同組分同時與表面相連接。所采用的多組分打印技術包括利用毛細管、噴嘴、微通道懸臂等的微液滴點樣、激光誘導轉移、微流體打印以及聚合物筆打印等。其中微通道懸臂打印、激光誘導轉移、微流體打印等技術近期被用于生物大分子的表面原位合成以制備多通道復雜生物芯片。而聚合物筆打印將有望以低成本實現微納米多組分陣列的高通量制備。
圖4 數字微鏡投影結合微流控實現表面光化學調控多組分大分子陣列。(A-C)多組分聚合物刷制備。(D-F)復雜組分梯度聚合物刷結構制備。(G-I)光化學降解制備多組分生物分子陣列。
3. 表面接枝大分子復雜陣列的應用
復雜接枝大分子表面在多個研究領域具備應用潛力。在微納加工中，化學穩定的接枝層可以作為可靠的抗蝕模板將聚合物微納結構轉移到其他材料基底。此外，圖案化聚合物刷可用于制造新型光學微納結構、電化學微電極陣列或復雜的微機電機械系統。對接枝大分子結構形貌與組分的精確控制可廣泛應用于化學過程、生物大分子及細胞行為的基礎研究，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，利用表面納米結構和刺激-響應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金屬結構。(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)三維聚合物刷實現蛋白高密度固定與細胞選擇性粘附。(E)底層交聯聚丙烯酰胺(PAAm)嵌段和頂部用RGD肽功能化的聚丙烯酸(PAA)嵌段結構用于細胞粘附研究。
本綜述介紹了接枝大分子結構的表面工程，同時闡明和分析了在不同的制造策略和應用中合成、加工、圖案和功能之間的相關性。對剛進入這一領域以及那些需要快速了解功能表面接枝結構的性能、加工、性能和應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雜性方面仍存在挑戰，比如實現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，可擦寫，動態切換和自修復的表面功能等。雖然表面接枝的應用潛力已得到驗證，但考慮到實際應用環境下的長期使用，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，更精確的結構組成控制以及新功能的開發。
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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