南工陈苏教授团队开发出基于微流控的宏观自组装构建多维功能材料

时间:2018-11-13 13:57:46  来源:本站

自然界存在着许多奇异的自组装材料,近年来,“师法自然”以自组装为手段构筑先进的高性能结构多功能材料是当今研究热点之一。通过模拟自然界的自组装过程,对于理解自然及推进材料的功能性和结构性的协同发生及演化具有深刻的学术意义。目前,自组装的研究主要集中于分子层面的组装,宏观自组装鲜有报道,特别是自然界自组装及人工自组装技术效率低,成为阻碍其发展的瓶颈,如何提高自组装效率也是当今国际极具挑战性的课题之一。
  基此,南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授团队在国家自然科学基金重点基金(21736006)和国家重点研发计划(2016YFB0401700)的资助下,以微流控技术为手段,原创性的设计开发了自愈合力驱动的宏观自组装方法。该研究成果以“Versatile Hydrogel Ensembles with Macroscopic Multi-Dimensions”为题发表在国际材料顶级期刊《Advanced Materials》(Qing Li, Ya-Wen Zhang, Cai-Feng Wang, David A. Weitz, Su Chen*, Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803475)上。
  研究者巧妙地利用自愈合高分子水凝胶微珠作为组装单元,在微流体限域通道内实现了超分子水凝胶微珠的连续化定向组装,通过不同类型通道的设计,如单通道、Y型通道、平行通道、立体三角形通道,亦可实现特定形貌组装体的可控组装。基于组装基元之间固有的氢键和超分子作用力,可在几分钟内完成组装,实现从微米结构单元组装成为宏观大材料,大大提高了组装效率,所制备的水凝胶材料具有很好的生物相容性,是很好的人体组织材料。此外,研究者利用该方法亦实现了荧光微球的自组装,并将其成功用于LED的制备。这项研究成果为多维度材料的设计和快速构筑新型功能材料提供了一种新方法。

图1 基于微流控的自愈合驱动的宏观自组装示意图

a) 基于微流控的宏观自组装构筑线性、平面型和3D有序结构示意图; b)基于微流控的宏观自组装构筑荧光组装体及其LED应用示意图。

图2 自愈合驱动的界面自组装构筑线型和平面型结构组装体

a) 凝胶微球在水和三氯甲烷界面自组装示意图;b)图片表明凝胶微球在水和三氯甲烷界面自组装形成一维结构;c-e)凝胶微珠基于氢键和主客体作用自组装形成各种线性和平面组装结构。

图3 自愈合驱动的自组装用于构筑3D组装结构

a) 无序自组装构筑3D结构; b)通过自组装形成耳状材料。比例尺表示1.0厘米; c, d)层层自组装形成3D有序结构。

图4 基于微流控的定向组装构筑多维材料

a) 凝胶微珠在Y型通道(直径,4.5mm)中交替排列形成线性组装结构; b)凝胶微珠在Y型通道(入口直径4.5mm,出口直径9mm)中形成有序的平面组装结构; c-e)在不同微流体通道中,微珠定向组装形成线性、平面型和3D有序组装结构。

图5 凝胶组装体用于生物组织材料

a) 在凝胶基质上培养细胞的示意图; b, c)3T3和L929成纤维细胞的MTT测定和LIVE/DEAD细胞测定实验;d) 凝胶组装体实现了3T3和L929细胞的共培养。比例尺表示100μm。

图6 荧光微球自组装及其WLED应用

a) 微流体技术制备荧光凝胶微珠示意图; b, c)量子点负载的凝胶微珠及其组装体的荧光图和SEM图; d)量子点负载的凝胶微珠的荧光光谱; e)WLED的示意图; f)所制备的WLED器件的EL光谱; g)WLED的CIE色坐标图; h)WLED在日光下的照片; i)WLED的照明图。

 

来源:高分子科学前沿