微納 3D 打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有納米精度的 3D 微納結(jié)構(gòu)的加工，在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。飛秒激光雙光子微納加工技術(shù)是一種基于非線性光學(xué)效應(yīng)的微納 3D 打印技術(shù)，可以突破光學(xué)衍射極限限制，實(shí)現(xiàn) 3D 復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)與器件的可控制備。以水為介質(zhì)的水相環(huán)境飛秒激光雙光子微納 3D 打印由于具有綠色環(huán)保、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，引起了生物醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，成為近年來微納 3D 打印重要發(fā)展方向和熱點(diǎn)之一。然而，圍繞水相環(huán)境雙光子微納 3D 打印核心技術(shù)，由于現(xiàn)有雙光子引發(fā)劑的水溶性差、雙光子聚合引發(fā)效率低，導(dǎo)致所制備的三維水凝膠微結(jié)構(gòu)精度差、細(xì)胞毒性大，尚存在如何提高材料的水溶性和生物相容性，從而提高結(jié)構(gòu)精細(xì)度等科學(xué)問題。

中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室鄭美玲研究員團(tuán)隊(duì)，近期在水溶性雙光子引發(fā)劑設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。在前期工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了高性能水溶性雙光子光功能材料分子設(shè)計(jì)思想與策略，有效提高了雙光子吸收截面和生物相容性，突破了非水溶性材料的雙光子吸收特性與水溶性難以兼顧的瓶頸，設(shè)計(jì)合成了一系列高效水溶性雙光子引發(fā)劑，并應(yīng)用于仿生3D水凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials and Interfaces：https://doi.org/10.1021/acsami.1c02227（DOI: 10.1021/acsami.1c02227）。該論文的通訊作者是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的鄭美玲研究員，高文為論文第一作者。

作者利用離子型π共軛體系來提高雙光子引發(fā)劑的水溶性和雙光子吸收特性的同時(shí)，還通過結(jié)合不同的疏水基團(tuán)調(diào)節(jié)其生物相容性。在水相環(huán)境下的雙光子聚合過程中，利用具有相對(duì)較大內(nèi)腔尺寸和良好的水溶性的葫蘆脲7作為主體對(duì)引發(fā)劑分子進(jìn)行包結(jié)，通過改變聚合微環(huán)境，進(jìn)一步提高了雙光子吸收截面，從而提高了引發(fā)效率。等溫量熱滴定測試和量子化學(xué)模擬結(jié)構(gòu)顯示主客體化學(xué)相互作用后絡(luò)合物的最佳絡(luò)合比為1:1。研究團(tuán)隊(duì)利用這種新型水溶劑引發(fā)劑結(jié)合水溶性單體設(shè)計(jì)了組分簡單的水相聚合光敏材料，并且實(shí)現(xiàn)了聚合閾值僅為3.7 mW、最細(xì)線寬180 nm的水相環(huán)境中的高精細(xì)仿生水凝膠結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。

研究團(tuán)隊(duì)利用該光敏體系實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)保真度和力學(xué)性能良好的仿生3D水凝膠細(xì)胞支架結(jié)構(gòu)的3D打印，研究了細(xì)胞在支架上的生長行為，熒光探針標(biāo)記和顯微成像研究證實(shí)了該類引發(fā)劑具有良好的生物相容性，這為水凝膠材料在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 離子型π共軛水溶性雙光子引發(fā)劑的設(shè)計(jì)與合成

圖2 量子化學(xué)模擬主客體化學(xué)相互作用

圖3 仿生3D水凝膠細(xì)胞支架的構(gòu)筑

該工作是研究團(tuán)隊(duì)前期一系列仿生水凝膠工作的深入和拓展（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(guān)研究工作得到科技部納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)面上基金、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c02227