中山大学谢庄AFM：滑vs粘，类液体聚合物接枝润滑表面的高精度图案化功能修饰

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【背景介绍】

蜡质滑移区存在于猪笼草内表面的上部，因其超疏水特性和低表面能具有很好的抗黏附及抗污特性。受此启发，仿生类液体可滑动涂层应运而生，具有广阔的应用领域，如绿色可持续的自清洁、防污、防冰涂层，液体收集和定向运输，植入医疗设备等。作为一种新兴类液体表面，表面接枝低表面能线性聚二甲基硅氧烷（LPDMS）柔性链也存在类似液-液型相互作用。这种聚合物刷纳米薄膜可使极性或非极性液体在轻微倾斜的修饰表面上易于滑动而无残留，实现液体排斥和自清洁功能。将这种滑动性和类液体性的优势与特定的图案化理化特性（如润湿性、粘附性、化学反应性、光学可调性等）相结合，有望获得高复杂度和定制化的多功能材料及器件。

【成果简介】

近日，中山大学材料科学与工程学院的谢庄副教授课题组在Advanced Functional Materials上报道了一种对润滑类液体LPDMS聚合物刷接枝表面进行高精度图案化修饰的简易方法及相关应用。结合微接触印刷制备微液滴阵列与聚多巴胺（polydopamine, PDA）在微液滴内原位限域生长，该工作证明在类液体LPDMS表面可大面积制备PDA微阵列，实现尺寸、高度、形貌可调的微米至亚微米精度的图案化修饰，且PDA微图案在经历数分钟超声后仍保持粘附。该方法可对LPDMS修饰的硅片、玻璃、ITO玻璃及弯曲表面进行图案化，以及可制备具有梯度性质的表面。

图1 聚多巴胺微点阵列制备示意图及功能化阵列制备示意图

图2 （A）甲苯和水液滴在LPDMS修饰硅片和全氟硅烷修饰硅片上的滑动照片；（B）甘油和加了表面活性剂的液滴在LPDMS修饰硅片上的接触角；（C）多巴胺微液滴阵列的显微图；（D）聚多巴胺微点阵列的显微图；（E）甘油去润湿玻璃瓶上的聚多巴胺微阵列的电子显微图和照片；（F）在粗糙表面上的聚多巴胺微点原子力显微镜图。

图3 （A）不同含量表面活性剂多巴胺液滴生成的聚多巴胺微点阵列显微图；（B）不同表面活性剂含量与聚多巴胺微点尺寸和高度的关系图；（C）不同表面活性剂含量下聚多巴胺微点的AFM图；（D）尺寸梯度聚多巴胺微点阵列图及不同区域的接触角比较；（E）聚多巴胺纳米点阵列显微图及相应AFM图。

此外，聚多巴胺的反应活性与亲水性可进行选择性化学接枝或物理吸附，从而进一步实现对润滑类液体表面的多种功能化修饰。而类液体表面优异的抗粘附与抗污性能可极大减少图案化过程中的微观污染，达到近乎完美无痕背景。作为概念展示，该工作通过PDA引发光化学接枝实现在LPDMS表面修饰响应性高分子阵列，通过聚多巴胺固定生物分子与LPDMS排斥非特异蛋白吸附实现微阵列免疫分析，以及通过有机溶液的滑动去润湿，形成钙钛矿微晶体与量子点的图案化微阵列。

图5 （A）聚多巴胺微阵列接枝应用示意图；（B）聚多巴胺引发光化学接枝PAM水凝胶阵列显微图；（C）接枝PMETAC前后的AFM对比图；（D）接枝热响应PNIPAM微阵列；（E）荧光标记蛋白微阵列图及背景AFM图；（F）特异性识别的IgG/FITC-Anti-IgG微阵列图。

图6 （A）聚多巴胺去润湿应用示意图；（B）钙钛矿前驱体的DMSO溶液滑过LPDMS和全氟硅烷修饰硅片的残留对比图；（C）钙钛矿量子点的甲苯溶液滑过LPDMS和全氟硅烷修饰硅片的残留对比图；（D）钙钛矿晶体前驱体微液滴阵列显微图；（E）钙钛矿晶体微阵列显微图及相应荧光图；（F）在较光滑聚多巴胺微点上生长的较大尺寸钙钛矿微晶；（G）钙钛矿量子点溶液在聚多巴胺表面选择性润湿；（H）钙钛矿量子点-聚多巴胺微点阵列荧光显微图；

【总结与展望】

本文研究了在类液体LPDMS聚合物刷润滑表面的微液滴微接触印刷及聚多巴胺的限域生长，并成功实现亚微米尺度聚多巴胺图案阵列在类液体表面的制备及形貌调控。未来通过利用自动化装置或扫描探针接触/光化学打印技术，可以进一步实现更高水平的打印精度控制、图案直写和大批量制备。此外，多功能的PDA微纳图案与抗粘防污的类液体聚合物刷表面相结合，可拓展图案化修饰的润滑表面在材料科学、纳米技术、生物医学工程、光电微器件以及高通量筛选实验中的使用，具有广泛应用潜力。

相关论文以”High-Resolution Patterned Functionalization of Slippery 'Liquid-Like’ Brush Surfaces via Microdroplet-Confined Growth of Multifunctional Polydopamine Arrays”为题,发表在 Advanced Functional Materials 。中山大学硕士生方绿叶为本论文第一作者，谢庄副教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（21802171），广东省自然科学基金（2018A030310061）与广州市科技局（202002030434）的资助。谢庄副教授为中山大学2017年“百人计划”引进副教授，于香港理工大学纺织与制衣学系获博士学位，美国西北大学化学系从事博士后研究（合作导师：Chad A. Mirkin院士）。主要研究方向为微纳制造、功能高分子及柔性电子表界面等。目前获国自然面上等多项项目，经费充足，热忱欢迎具有化学、材料、高分子、机械/电子/生物医学工程等专业背景的博士加入课题组，待遇丰厚，享受广东省与中山大学多项福利，有意者欢迎联系[e-mail]。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100447

来源：高分子科学前沿

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