理化所在水溶性雙光子引發劑設計、制備及應用方面取得新進展
3D水凝膠微納結構能很好地模拟自然組織的多層次結構，可用于調控細胞行為、定向運輸癌症治療中的幹細胞、促進類器官形态發生等，在生物醫學領域中發揮着重要作用。在衆多3D水凝膠列印技術中，雙光子聚合因為突破了光學衍射極限而被廣泛應用。利用雙光子加工技術，能制備任意形貌的、高精度的3D微納結構。傳統的雙光子聚合利用有機物作為溶劑，殘留物會帶來細胞毒性，不利于在生物醫學領域的應用，且細胞、組織等處于水相環境，是以，在生物醫學領域實作水相中的雙光子聚合十分關鍵。高效的水溶性雙光子引發劑是實作水相雙光子聚合的重要影響因素。
中科院理化所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊，近期在水溶性雙光子引發劑設計、制備及應用方面取得新進展。在前期工作基礎上，利用簡單、高效的主客體互相作用制備了生物相容的水相雙光子引發劑并應用于3D水凝膠結構的構築，同時深入探究了陰離子對水相雙光子引發劑的影響。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials 2023, 2300293 (DOI: 10.1002/adfm.202300293）。該論文的通訊作者是中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室的鄭美玲研究員，第一作者為2020級研究所學生賓凡淳。
作者采用離子型咔唑類對甲苯磺酸鹽作為客體，葫蘆脲[7]作為主體，借助離子-偶極互相作用和親水-疏水互相作用獲得了高效的、生物相容的水溶性雙光子引發劑（CB7/BT）。等溫量熱滴定和量子化學模拟結果顯示主客體結合比為1:1，通過電子順磁共振波譜分析，發現CB7/BT生成烷基自由基引發聚合。為探究CB7/BT的雙光子加工能力，以水為溶劑、PEGDA為單體制備了光刻膠，該體系最大加工分辨率是127 nm，且成功制備了3D細胞支架、新冠肺炎病毒模型、梅花、小烏龜等一系列水凝膠微結構，說明CB7/BT具有良好的3D加工能力。将3D結構與L929細胞共培養，細胞存活率均在95%以上。研究結果表明，CB7/BT雙光子吸收特性高，雙光子加工能力好，生物相容性好。
通過将實驗分析和量子化學模拟相結合，研究團隊同時對比了陰離子，即對甲苯磺酸根、碘離子對水溶性雙光子引發劑的影響，發現對甲苯磺酸根作為陰離子時引發劑具有更大的結合能、雙光子吸收截面和加工分辨率，說明改變陰離子是調控水溶性雙光子引發劑加工性能的一種有效途徑。該研究為高效水溶性雙光子引發劑的設計提供了指導，所提出的方案将為3D水凝膠在組織工程和再生醫學等生物醫學領域的應用開辟新的途徑。
圖1. 雙光子聚合和光刻膠前驅體示意圖及量子化學模拟結果
圖2. 雙光子聚合制備系列3D水凝膠微結構的SEM圖
圖3. 3D細胞支架與L929細胞共培養的明場及共聚焦熒光圖像
該工作是研究團隊前期一系列仿生水凝膠工作的深入和拓展（Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2200276; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 27796-27805; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 1782-1789; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 42247-42257; Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273-280; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491; Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039; J. Mater. Chem. B 2014, 2, 4318-4323）。相關研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金、中國科學院國際夥伴計劃等項目的大力支援。
來源：理化所
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