双光子聚合微加工高精密度PEG水凝胶的研究

邢金峰，张 倩，苟晓蓉



双光子聚合微加工高精密度PEG水凝胶的研究

邢金峰，张 倩，苟晓蓉

(天津大学化工学院，天津 300350)

高精密度的水凝胶微结构有利于更好地模拟生物体内微环境，双光子聚合微加工有望加工出任意形貌的高精密度水凝胶微结构．为了改善微结构的刚性，调节光刻胶的成分，加工了3种不同种类的微结构，优化后的光刻胶用于后续微结构的加工，研究了正加工和倒加工的差异．进一步研究了激光扫描速度对加工时间的影响．结果表明，适当提高聚合物刚性、采用倒加工以及适当提高扫描速度可以高效地加工出高精密度的水凝胶微结构．

双光子聚合微加工；高精密度；PEG；水凝胶微结构

水凝胶是一类吸水只溶胀不溶解、具有三维(3D)交联网络的亲水性高分子聚合物．由于水凝胶具有较高的含水量，其与生物体内的细胞外基质(ECM)很相似，常用于生物医疗领域的药物递送和组织工程方面研究[1-2]．具有精确3D构型的水凝胶有利于更好地模拟ECM[3]．传统的微加工技术如电子束光刻技术[4]、干涉光刻[5]、纳米压印光刻技术[6-7]以及紫外光刻[8]常用于加工二维(2D)或3D微结构，但是这些微加工技术不能获得高分辨率的3D微结构．双光子聚合微加工(two-photon polymerization microfabrication，TPPM)具有三阶非线性吸收光学性质，聚合只发生在激光焦点附近的极小区域内，所以能够加工高分辨率的任意3D微结构[9-11]．

TPPM常采用层层打印原理，而每一层又是由线组成的，所以人们常用在阈值处加工的线宽来衡量TPPM的加工精度．2014年Xing等[12]采用聚乙二醇丙烯酸二酯(PEGda，n＝700)为单体，将自制引发剂2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌与环糊精组装制备水溶性双光子引发剂，在780,nm的激光光源下，扫描速度为10,μm/s下，加工聚合物线的阈值为8.6,mW，对应的线宽为200,nm．2015年Xing等[13]利用相同的单体，将2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌与泊洛沙姆组装制备了水溶性双光子引发剂，在相同的条件下，聚合物线的加工阈值为6.29,mW，线分辨率提高到92,nm，但是加工的3D微结构精密度不高，容易变形，难以重复加工更复杂的3D微结构．所以，微结构维持形状的能力对加工出高精密度的3D水凝胶至关重要．此外，TPPM中的加工形式(正加工和倒加工)也可能影响3D水凝胶精密度，以及激光扫描速度会影响3D水凝胶加工效率．所以，改善光刻胶、研究TPPM加工形式和激光扫描速度，将有望高效地加工出高精密度的3D水凝胶．

本文采用广泛用于药物递送和组织工程领域研究的聚乙二醇丙烯酸二酯作为单体，自制引发剂2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌为双光子引发剂，添加少量光敏剂(2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮)，制备了不同配比的光刻胶，分别加工了腺病毒、碳纳米管以及红细胞水凝胶微结构，并进行表面形貌的对比；此外，探究了TPPM正加工和倒加工红细胞微结构的区别，研究了激光扫描速度对加工效率的影响．研究结果为高效加工高分辨率水凝胶微结构奠定了基础．

1 实 验

1.1 实验原料

2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌(N)制备参见文献[12]；N-溴代丁二酰亚胺、苯甲酰、三苯基膦以及所有溶剂，均为分析纯，天津江天化工有限公司；4-甲基苯二甲酸酐，分析纯，梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；对二甲基氨基苯甲醛，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；泊洛沙姆、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGda，单体，n＝700)以及2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮，均为分析纯，西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司；3-(甲基丙基酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，分析纯，南京创世化工助剂有限公司；季戊四醇三丙烯酸酯(PE-3A)，分析纯，日本共荣社化学株式会社．

1.2 光刻胶的配制

首先，将2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌与泊洛沙姆按摩尔比1∶1进行组装，制备出水溶性引发剂(WI)，溶于蒸馏水中，将光敏剂(2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮)溶解在DMSO中，再添加单体PEGda，混合均匀，制备出光刻胶a，具体操作步骤见文献[13]；然后，将PEGda、N和光敏剂3者混匀，搅拌48,h，制备出光刻胶b；最后，将PEGda、N、光敏剂和交联剂(PE-3A)4者混合均匀，搅拌48,h，制备出光刻胶c．光刻胶的配比见表1(其中N为2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌)．

表1 光刻胶的配比

Tab.1 Types of photoresist mg

1.3 水凝胶的双光子聚合微加工

首先，将中心带十字的玻璃片放在KH570的甲苯溶液中，静置一夜，使玻璃片表面亲水；然后，将玻璃片吹干，在十字中心处放一片中心被剪去的厚度为100,μm的塑料膜，将光刻胶滴在塑料膜镂空处，盖上盖玻片，制成样品，待加工；最后，安装上60×油镜(数值孔径为1.42)，滴上油，放上制好的样品，进行加工．TPPM中，采用的激光光源为近红外Ti：蓝宝石飞秒激光器(120,fs，80,MHz，780,nm)．

1.3.1 光刻胶的优化

为了优化光刻胶，实验中主要模拟了腺病毒、碳纳米管和60°红细胞3种结构进行微加工，选择出最优的光刻胶体系．

1.3.2 TPPM正加工和倒加工的对比

为了提高TPPM加工分辨率和效率，加工了60°红细胞微结构和20,μm×10,μm×10,μm(长×宽×高)的长方体，研究了TPPM正加工和倒加工的区别．

1.3.3 扫描速度对加工时间的影响

加工时间是衡量微加工效率的一个重要参数．所以，在不同扫描速度下加工了60°红细胞微结构，研究了激光扫描速度对加工时间的影响．

1.4 扫描电子显微镜(SEM)观察

将带有微结构的玻璃片样品，喷上一层薄薄的金，然后用SEM(Hitachi S-4800)进行观察．

2 结果与讨论

2.1 光刻胶优化

采用光刻胶a微加工的水凝胶微结构如图1所示(激光功率为7.5,mW，扫描速度为110,μm/s)．其中图1(a)、(c)、(e)是微结构的模型，图1(b)、(d)、(f)是加工的微结构．文献[13]中报道的其聚合阈值为6.29,mW，线宽为92,nm，线分辨率较高．但是由图1可以看出，加工的3D微结构由于刚性不够，容易变形，图1(b)中的腺病毒结构中的线条不是很分明；图1(d)中的碳纳米管结构整体上就发生了明显的变形，本来是六边形的孔也发生了严重的变形；与平面成60°的红细胞微结构(见图1(f))在加工过程中就发生了变形，没有加工出完整的结构．所以，如果利用TPPM来重复地加工高分辨率复杂微结构，仅仅线分辨率高是不够的，还需要加工的聚合物具有一定的刚性，在加工过程中不会发生较大的变形，才能保证高效地加工出高分辨率的3D微结构．

图1 光刻胶a加工的水凝胶微结构

考虑到在光刻胶a中，用泊洛沙姆包附了引发剂2，7-二(4-戊烷氧基-苯乙烯)-蒽醌，会影响引发剂的引发效率；另外，光刻胶a中含有水和DMSO等易流动的溶剂，也容易造成加工的聚合物发生移动或变化．综合上面两个因素，并结合单体PEGda兼具水溶性和油溶性，实验中将单体、引发剂和光敏剂三者直接混匀，制备出本体光刻胶b，再进行微加工得到的微结构如图2所示(激光功率为6.3,mW，扫描速度为110,μm/s)．由图2(a)可以看出，加工的腺病毒结构有变形；相比于图1(c)中的碳纳米管，从整体上看，图2(b)中的碳纳米管变形小了些，但是六边形孔还是发生了收缩，近似成圆形；此外，仍然未成功加工出60°的红细胞微结构，如图2(c)所示．

所以，为了改善聚合物的刚性，这里进一步调节了光刻胶的配比，加入了少量交联剂PE-3A，使单体(PEGda)与交联剂(PE-3A)的质量比为9∶1，配制成了光刻胶c，加工的微结构如图3所示(激光功率为6.0,mW，扫描速度为110,μm/s)．图3(a)中的腺病毒结构表面线条分明；图3(b)中的碳纳米管结构整体上没有明显的变形，六边形孔棱角分明，右上角放大的六边形孔形状保持得较好；此外，图3(c)中的红细胞微结构成功加工出来，说明该光刻胶体系c具有适当的刚性，有望加工更多高分辨率、复杂的水凝胶微结构．所以，这里选择光刻胶c作为优化的光刻胶体系，进行后续的微加工．

图2 光刻胶b加工的水凝胶微结构

图3 光刻胶c加工的水凝胶微结构

2.2 TPPM正加工和倒加工比较

在TPPM中，可以根据玻璃片的正放置和倒放置将加工分为正加工和倒加工，其原理如图4所示．图4(a)是倒加工原理，即在上玻璃片进行加工，加工方向由上至下，激光不穿过已加工的部分，而进行后续加工；图4(b)是正加工原理，即在下玻璃片加工，方向由下至上，激光需要穿过已加工部分再进行后续加工，这样如果微结构较高，则会有激光能量的耗散，结构上端可能因为能量不足而发生变形，甚至也可能使激光方向发生偏移．

实验中，通过模拟60°的红细胞(见图5)和长方体(见图6)，再通过正加工和倒加工两种方法进行TPPM(激光功率为6.5,mW，扫描速度为110,μm/s)．从图5可以看出，对于这种优化的光刻胶c体系，无论是正加工(见图5(a))还是倒加工(见图5(b))，都能成功加工出这种60°红细胞微结构，但是正加工的微结构箭头所指处有变形，而倒加工的微结构更加符合原模型，无明显变形．另外，采用正加工和倒加工方法加工的20,μm×10,μm×10,μm长方体如图6所示(激光功率为6.5,mW，扫描速度为110 μm/s)．正加工的微结构(见图6(a))比倒加工的微结构(见图6(b))表面粗糙，可能原因是正加工中已加工部分使激光轨迹不稳定．所以TPPM中，加工复杂的3D微结构，采用倒加工的效果会更好．

图4 TPPM中倒加工和正加工示意

图5 TPPM中正加工和倒加工红细胞微结构

2.3 激光扫描速度对加工时间的影响

TPPM中，加工时间是衡量加工效率的一个重要参数，而激光扫描速度又是影响加工时间的一个重要参数．当微结构具有足够的刚性，可以适当提高加工速度来缩短加工的时间，从而提高微加工的效率．如图7所示，当速度由110 μm/s 增加至1,100 μm/s时，红细胞微结构仍然能加工出来，加工时间分别为15,min、9,min、6,min、5,min、4.5,min、4.1,min、3.9,min(从左至右)．即当速度由110 μm/s 增加至1,100 μm/s时，时间由15 min缩短至3.9 min，大大提高了加工的效率．理论上，当扫描速度增加，微结构刚性会降低，但是不足以引起微结构变形．所以，选择扫描速度时，需要根据具体的条件，尽量增加扫描速度以缩短加工时间，同时又不会使微结构变形，那么这个扫描速度就是适当的．

图6 TPPM中正加工和倒加工长方体微结构

图7 不同扫描速度下加工60°红细胞微结构

3 结 语

本文通过模拟3种结构进行TPPM，对比微结构分辨率，优化了光刻胶，使加工的微结构具有一定的刚性；然后利用此光刻胶研究了正加工和倒加工的差异，结果表明倒加工更有利于复杂3D微结构的加工；在确定了光刻胶c和倒加工后，最后研究了激光扫描速度对加工时间的影响，适当增加扫描速度，可以大大缩短加工时间，提高加工效率．所以，这三方面研究为快速双光子聚合微加工制备高精密度复杂微结构奠定了重要基础．

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(责任编辑：田 军)

PEG Hydrogel with High Precision Fabricated by Two-Photon Polymerization Microfabrication

Xing Jinfeng，Zhang Qian，Gou Xiaorong

(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

Hydrogel microstructure with high precision could better simulate the microenvironment in vivo. Two-photon polymerization microfabrication (TPPM) is expected to fabricate arbitrary hydrogel microstructure with high precision. To improve the stiffness of microstructure，the composition of photoresist was tuned to fabricate three kinds of microstructures. The optimal photoresist was chosen to fabricate the subsequent microstructures. The difference between up-down and inversion processing was investigated. Furthermore，the impact of writing speed on processing time was studied. The results show that increasing polymer rigidity，adopting inversion processing and enhancing writing speed together can efficiently fabricate hydrogel microstructures with high precision.

two-photon polymerization microfabrication(TPPM)；high precision；PEG；hydrogel microstructure

10.11784/tdxbz201702027

TK448.21

A

0493-2137(2018)02-0210-05

2017-02-15；

2017-04-17.

邢金峰（1977—  ），男，博士，教授.

邢金峰，jinfengxing@tju.edu.cn.

2017-05-27.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20170527.0939.004.html.

国家自然科学基金资助项目(31371014).

the National Natural Science Foundation of China(No.,31371014).