基于DMD动态投影制备多元复合PEG聚合物刷微图案的研究

Micropatterned PEG brushes have very important applications in tissue engineering and biological fundamental research. To establish a preparation system for multicomponent brush micropatterns with independent intellectual property rights, the project proposes to design and manufacture a photochemical microreactor system which includes a DMD (Digital Mirror Device) projection instrument, and perform a study on preparing micropatterned multicomponent PEG brushes by photoinitiated atom transfer radical polymerization (ATRP) under the condition of DMD grayscale modulation and microreactor system supply control. The response relationship between quantified DMD grayscale modulation and PEG brushes polymerization degree will be investigated. Series characterizations will be carried out to reveal the influence of DMD grayscale modulation on the mesostructure of micropatterned PEG brushes. It helps to understand the method and technique to reach micropatterns with desired nanostructure, stiffness and surface chemical activity features. Further study on preparing method and technique will be performed to obtain micropatterned multicomponent PEG brushes with azide concentration gradient feature and concentric annulus pattern structure, which will be used as substrate for “in-situ”cell migration and polarization experiment. This project is expected to open up a new research direction for preparing research of micropatterned polymer brush, and provide theoretical and technical support for the development and mass application of polymer brushes micropatterning technology.

图案化聚乙二醇（PEG）聚合物刷在组织工程及生物学基础研究中有着极其重要的应用。本申请以建立一个具有独立知识产权的多元复合聚合物刷微图案制备体系为目标，拟设计、搭建耦合了数字微镜（DMD）动态投影系统的光化学微反应装置，通过DMD数字灰阶调制与光化学微反应器过程控制耦合调控表面光引发ATRP反应过程，开展多元复合PEG聚合物刷微图案的制备研究。针对数字灰阶量化与PEG聚合物刷聚合度间的响应关系进行分析研究，表征DMD数字灰阶调制特性对图案化PEG聚合物刷介观结构特征的影响，掌握实现定制图案化PEG聚合物刷纳米结构、力学性能和表面化学活性特征的方法和工艺，制备具有轴向叠氮基化学浓度梯度特征和同心圆环嵌套图形结构的多元复合PEG聚合物刷微图案，并以此开展细胞原位诱导迁移、极化实验。相关工作将为图案化聚合物刷制备研究开辟新的方向，为聚合物刷微图案化技术的开发和规模应用提供理论和技术支持。

为一种有效的表面功能化手段，具有复杂三维结构的聚合物刷微图案的制备及应用研究越来越受到关注。本项目主要以具有复杂三维结构的多元复合聚合物刷微图案的制备及应用研究为目标，创新性的提出一种基于DMD动态投影空间光调制及光引发表面原子转移自由基聚合（ATRP）的表面聚合物刷微图案制备方法，针对激光调制下ATRP反应的动力学过程提出“初始线性”动力学模型；针对不同材料表面处理过程提出超支化PEG聚合物刷功能化的制备策略；针对空间光调制下可控ATRP反应过程提出三种曝光方式以提高所得聚合物刷微图案三维结构的保真性；开发了基于表面原位曝光的多元聚合物刷制备策略，实现具有多组分、多官能度、化学浓度梯度的复杂聚合物刷微图案结构的便捷制备。此外，针对多元复合聚合物刷微图案在生物细胞分化方面的应用，开展多种图案化条件下多元复合聚合物刷诱导HUVEC细胞分化的研究，并针对不同表面化学浓度梯度的聚合物微图案开展RGD功能化，以实现材料表面的可控生物化。项目研究成功的提出了一种新型复杂三维结构的多元复合聚合物刷微图案制备策略，同时设计并搭建了完善的DMD动态投影装置及反应平台；所得多元复合聚合物刷微图案展现出多种新颖的特性，在生物细胞分化、体外血液快速检测、细胞筛选及组织培养方面具有实际应用前景。