基于同步辐射掠入射X射线散射方法原位研究医用聚电解质多层膜自组装生长机制

The structure of the Polyelectrolyte multilayer (PEM) films is ruled by the primary adsorption conditions with variation between the newly adsorbed part and re-swollen precursor part of the films. In-suit probe the self-assembly process is very important to our understanding on the growth mechanisms of PEM films. Previous studies have confirm the structure of deposited multilayers, however there’s still not distinct information that how the multilayers structure was formed. In present subject, we plan to in-suit monitor the self-assembly processes suing synchrotron grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) and X-ray reflectivity (XRR), and to investigates the evolution of microstructures (include the surface morphology, molecular configurations, and correlation between adjacent interfaces, etc.) on the in -plane and out-of-plane of films. We will investigate the growth mechanisms by analyzing the experimental data and simulating the scattering patterns. Furthermore, we will also try to explore that how to control the growth condition to obtained PEM films with a periodic-structure in the in-pane or out-of-plane, and to investigate the relationship between the structure feature and biocompatibility of PEM films, take a further understanding of what is available mechanism and how to improve biocompatibility for PEM films.

聚电解质多层膜（Polyelectrolyte multilayer, PEM）的微观结构主要由自组装过程中新沉积层的吸附状态以及相邻层的再次肿胀状态所决定。因此，原位观测PEM膜自组装过程对于理解PEM膜生长机制至关重要。以前的研究虽然证实了多层膜构造的存在，但却没有明确回答自组装过程中多层膜构造是如何形成的。本项目基于同步辐射掠入射X射线小角散射（GISAXS）和X射线反射率（XRR）方法原位研究PEM膜自组装生长过程，从薄膜生长方向（面外）和垂直薄膜生长方向（面内）上调查自组装生长过程中表面形貌、分子构象、以及界面相关性等微观构造的演变。通过分析和模拟散射图谱的演变，探究PEM膜自组装生长机制。在此基础上，通过操控生长条件尝试生长在面内或面外方向上具有周期性微观结构的PEM膜，并探究相关PEM膜微观构造和生物适应性间的关系，进一步探索有利于提升PEM膜医用性能的自组装生长机制。

应用层层自组装方法形成的聚电解质多层（PEM）膜在生物传感器、微电子设备、药物输送等领域有着广泛的应用，但PEM膜成膜的微观机制还不十分清楚。本项目基于同步辐射掠入射小角X射线散射（GISAXS）、 掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和X射线反射率法（XRR）开展了聚电解质多层膜自组装过程的原位研究。主要包括：1）基于上海光源小角散射线站，设计和加工完成了聚电解质多层膜喷涂装置，建立了GISAXS原位研究平台；2）在小角散射线站建立发展了用于薄膜短程有序研究的GIWAXS方法，已对全国的上海光源用户开放；3）应用GISAXS和GIWAXS方法离线和原位研究了PEM膜层层自组装的过程。研究首次发现多层膜在自组装生长初期面内方向上存在着长程有序结构和弱的无取向的短程有序结构。有序结构随着PEM膜层数的增加而逐渐消失，并在层层自组装后期出现共振弥散散射现象。通过数据预处理和拟合分析发现，多层膜自组装初期局部范围内存在着聚电解质分子复合行为，之后随着自组装生长分子链进入相互融合和穿插状态，最后从PEM膜的自由表面到衬底界面出现分层现象。本项目揭示了聚电解质多层膜自组装成膜的微观机制；4)调研了具有不同微观结构PEM膜的细胞生物适应性，发现具有周期性结构的PEM膜更有利于细胞的吸附和生长，明晰了医用PEM膜微观结构和生物适应性间的构效关系；5）开发了透射小角X射线散射和掠入射小角X射线散射数据处理平台，包括预处理程序和后期拟合程序。