纳微米区域内选择性固定生物分子结构、取向和性能的研究

降低生物图案尺寸到纳微米级不仅可以提高微结构生物器件和芯片的性能，而且还能在分子水平上探索生物分子间的作用机理。通过对材料表面性质的可控修饰，将生物分子固定在指定的微区域内，构筑聚合物基的纳微米级生物图案，是当今一个重要的研究热点。本项目将采用真空紫外光技术对聚合物进行表面结构的微加工和表面性质的微调控，制作具有一定拓扑结构而且表面官能化图案，进而将生物分子固定在聚合物表面指定的区域并保持其原有的生物活性，组装纳微米级的生物分子图案。对固定在微结构中少数生物分子与环境生物分子间的相互作用以及生物分子在界面上的构象和取向进行探索性的研究，为制作高效能的纳微米级生物芯片和传感器提供理论上的指导。

将生物分子固定在聚合物材料表面指定区域内而保持生物活性对于构筑纳微米级生物图案十分重要，是一个非常活跃的研究热点。本项目采用172 nm紫外光辐射聚合物材料表面进行官能化，并系统地研究了该紫外光对聚合物材料表面改性的机理及影响聚合物表面改性的外在因素。在上述基础上，借助真空紫外光（172 nm）刻蚀技术对PET、PMMA、PDMS等聚合物表面进行区域选择性官能化修饰，成地将蛋白质（BSA）、细胞等固定在指定的微区域内，得到了微米级生物图案。该生物图案与紫外光刻所用光掩模的特征尺寸吻合，具有良好保真性。但是，由于聚合物材料容易发生表面重排，导致生物分子吸附的选择性不高而且形成的生物图案不也稳定。如何阻止聚合物材料表面重排，提高生物分子在聚合物材料表面微区域吸附的选择性并制得稳定的纳微米级生物图案是当今聚合物表面生物图案化的一个难点。为了阻止聚合物材料的表面重排，我们在聚合物材料表面构筑微米级惰性金属（如银、铜）图案，并对聚合物表面金属微图案的结构、性能及制备条件进行了相应的探索。然后对金属图案化聚合物表面上的金属微区域和聚合物微区域进行选择性的官能化修饰，进而控制生物分子在图案化表面微区域内的选择性吸附。由于金属微图案的刚性可以有效地阻止聚合物材料的表面重排，而且金属表面与聚合物表面间的性质差异提高了表面性质调控的选择性，从而保证了所构筑生物微图案的稳定性和保真性。更重要的是在金属图案化聚合物表面上选择性地吸附生物分子有望实现微电子与生物的技术融合，并为研制开发新型的生物微传感器、生物微器件、生物微电极等开拓一条全新的途径。此外，本项目还通过各种自组装方法用天然生物材料对聚合物表面进行改性，进而研究改性后的材料表面与生物分子相互作用，为下一步研究生物微图案与生物环境的特殊相互作用奠定了基础。本项目将研究成果应用于工程实践和人才培养，取得了一定的社会效益。在国内学术刊物和国际学术会议上发表了研究论文15篇，有8篇被SCI收录，申请中国专利5项。