仿生功能材料是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支。仿生是一切新材料發(fā)展的源泉,它的科學(xué)意義在于將認(rèn)識(shí)自然、模仿自然、超越自然有機(jī)結(jié)合,將結(jié)構(gòu)及功能的協(xié)同互補(bǔ)有機(jī)結(jié)合,為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了新思路、新理論和新方法。特別是面向重大應(yīng)用導(dǎo)向的仿生材料的制備,一直是材料合成領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
最近,中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所王樹濤研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種乳液界面聚合的方法,可實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)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(fā)表在Science子刊《Science Advances》上。
王樹濤研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(shí)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(jié)構(gòu)匹配與分子識(shí)別”協(xié)同的生物識(shí)別粘附效應(yīng),發(fā)展了循環(huán)腫瘤細(xì)胞的分離檢測(cè)器件與技術(shù) (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(xì)胞與腫瘤細(xì)胞特異性粘附啟發(fā),利用免疫細(xì)胞的吞噬功能使其內(nèi)吞氧化鐵納米顆粒具有磁性,再?gòu)?fù)形制備了具有免疫細(xì)胞結(jié)構(gòu)的磁珠,從血液中分離痕量腫瘤細(xì)胞的效率遠(yuǎn)高于商業(yè)化磁珠(無(wú)表面結(jié)構(gòu))(Adv. Mater., 2015, 27, 310-313)。然而,這種仿免疫細(xì)胞磁珠制備過程復(fù)雜,需要大量的細(xì)胞培養(yǎng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備及商業(yè)化應(yīng)用。因此,如何實(shí)現(xiàn)仿免疫細(xì)胞的規(guī);苽涫菦Q定仿免疫細(xì)胞磁珠應(yīng)用的關(guān)鍵!
乳液聚合是制備聚合物磁珠的一種經(jīng)典方法,他們嘗試?yán)萌橐壕酆系姆椒▉硪?guī)模化制備仿免疫細(xì)胞磁珠。在利用乳液聚合制備仿免疫細(xì)胞細(xì)胞磁珠的過程中,為了在細(xì)胞捕獲過程中降低非特異性細(xì)胞粘附,他們選用帶負(fù)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(shí)引入到油水界面體系,構(gòu)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(xì)胞磁珠。
在一次偶然的實(shí)驗(yàn)中,他們得到了月牙結(jié)構(gòu)的微球,這一奇特的結(jié)構(gòu)引起了他們極大的興趣。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),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(fā)劑首先在油滴內(nèi)部引發(fā)疏水性單體的聚合,生成一個(gè)聚合物活性核。當(dāng)聚合物活性核運(yùn)動(dòng)到油水界面上時(shí),其表面活性位點(diǎn)能夠引發(fā)水相中的親水單體發(fā)生聚合。從而將聚合物活性核錨定在油水界面上,進(jìn)而發(fā)生界面錨定聚合。親水性單體和疏水性單體在界面的優(yōu)先共聚,最終形成具有親水親油性質(zhì)的各向異性Janus微球。通過調(diào)節(jié)親疏水單體濃度、聚合時(shí)間可實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)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(yīng)體系,例如界面縮聚反應(yīng)、離子聚合、配位聚合等。同時(shí),基于Janus微球獨(dú)特的月牙結(jié)構(gòu),并利用其親疏水兩面性質(zhì)的不同,可實(shí)現(xiàn)不同粒徑微球的分選以及細(xì)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(jié)構(gòu)的球形微球。同時(shí),這種方法還可以擴(kuò)展到二維Janus膜材料的制備,基于膜兩側(cè)性質(zhì)的差異,可實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)性形變 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e380)。該種方法打破了傳統(tǒng)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(jī)理。 (b) 低倍掃描電子顯微鏡結(jié)果表明合成的月牙結(jié)構(gòu)的微球具有良好的尺寸均一性(左側(cè))。同時(shí),元素分析結(jié)果表明微球具有兩面性質(zhì)(右側(cè)),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(jié)構(gòu)微球經(jīng)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(diào)節(jié)親疏水性單體組成比例,可實(shí)現(xiàn)各向異性微球的可控合成。同時(shí),微球表面的化學(xué)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(fā)生變化。
該論文的第一作者為中科院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)呂中元教授和劉鴻博士。
該工作得到了的國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金,中組部國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目,北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目等的資金支持。
- 湘潭大學(xué)徐圣教授課題組 CEJ:碳微球改性MXene - 一種同時(shí)增強(qiáng)聚乳酸材料的阻燃、抑煙和導(dǎo)熱性能的高效雜化阻燃劑 2025-07-15
- 蘇大鐘志遠(yuǎn)/鄧超、蘇大附一院朱曉黎 Nat. Commun.:腫瘤血管適應(yīng)性、粘附性和可吸收性微球用于可持續(xù)的經(jīng)動(dòng)脈化學(xué)栓塞治療 2025-07-09
- 天津大學(xué)/北京大學(xué) Sci. Adv.:基于光子微球索引的高容量DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隨機(jī)訪問技術(shù) 2025-06-21
- 川大楊璐銘/司一帆、港城大胡金蓮 Adv. Mater. 綜述:Janus靜電紡絲膜 2025-07-08
- 清華大學(xué)梁福鑫課題組 Macromolecules:?jiǎn)误w塑化與流場(chǎng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)一鍋法種子乳液聚合制備不同形貌Janus顆粒 2025-06-11
- 上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)高功率電子的“智能守護(hù)者”:仿生Janus材料實(shí)現(xiàn)“感知-導(dǎo)熱-防護(hù)”三位一體 2025-05-21