CN112724737B - 一种多巴胺墨水及其用于制备微纳图案的方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能性微纳图案化的技术领域，具体涉及一种多巴胺墨水及其用于制备微纳图案的方法和应用。所述多巴胺墨水的组分包括盐酸多巴胺、吐温‑20、抗坏血酸、增稠剂、有机溶剂和水。一种多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，包括如下步骤：1)将打印基底进行表面修饰；2)在软***表面均匀旋涂上多巴胺墨水；3)将打印基底与软***接触并轻微按压，在打印基底表面形成液滴阵列，置于氨气氛围或者紫外光照下进行反应得到聚多巴胺微纳图案。所述多巴胺墨水具有较强的空气稳定性，利用氨气或紫外光照调控多巴胺的聚合反应，采用微液滴内原位聚合的方式生成聚多巴胺微纳米图案化结构，使微液滴能在高疏水抗粘附表面可靠均匀打印。

Description

一种多巴胺墨水及其用于制备微纳图案的方法和应用

技术领域

本发明属于功能性微纳图案化的技术领域，具体涉及一种多巴胺墨水及其用于制备微纳图案的方法和应用。

背景技术

受贻贝粘附蛋白启发而开发的多功能聚多巴胺(polydopamine，PDA)材料在近十几年来得到广泛应用，PDA可通过多巴胺单体发生自聚合形成，反应原理包括氧化聚合、自由基聚合及光化学聚合等，所形成的PDA薄膜能黏附在多种基底材料表面而无需额外修饰，其中含有邻苯二酚、胺、亚胺等多种官能团，不仅可以提高材料的表面亲水性，而且具有良好的生物相容性，可以进一步通过吸附固定与二次修饰而制备其它功能性材料。

目前PDA制备为微纳米图案化表面有多种技术手段，包括光刻模板法、喷墨打印、微通道限域生长、微接触印刷等。用压印或微球自组装制备微纳米模板可以控制PDA的选择性生长，然而纳米级模板的制备与去除需要高成本与复杂过程。其余方法通常仅能制备尺寸>10微米的图案，且也需预先定制图案固定的微通道、微***或光掩模等。利用纳米探针可直接书写多巴胺单体溶液，并在空气中聚合成PDA纳米图案，但制备范围小于100微米，效率低。因此，开发能在不同表面大面积灵活制备PDA微纳米图案的方法具有重要的应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多巴胺墨水及其用于制备微纳图案的方法和应用，通过调控多巴胺墨水组分，实现多巴胺墨水在不同表面形成微纳液滴阵列。

以低成本简易的方法制备大面积高精度的聚多巴胺任意微纳米图案。针对高疏水表面(水接触角>100°)设计优化了多巴胺墨水配比，使得能以较高产率获得均匀亲水性PDA微纳图案阵列。

本发明的技术内容如下：

本发明提供了一种多巴胺墨水，所述多巴胺墨水的组分包括盐酸多巴胺、吐温-20、抗坏血酸、增稠剂、有机溶剂和水；

所述增稠剂包括高粘度多元醇或聚合物，具体包括甘油、乙二醇、聚乙二醇的一种；

所述有机溶剂包括乙醇、异丙醇、正丁醇或其它能溶解多巴胺的溶剂的一种。

所采用的有机溶剂和表面活性剂吐温-20使得墨水更易铺展于基底表面并从微图案***表面进行转移，实现微液滴的可靠生成。

按质量分数计，多巴胺墨水中盐酸多巴胺占1～20mg/mL、吐温-20占0～6mg/mL、抗坏血酸占0～10mg/mL、增稠剂占10～200mg/mL、有机溶剂占0～100％V/V以及水0～100％V/V。

所述盐酸多巴胺为合成聚多巴胺的单体，在氧气、碱性环境或254nm紫外光照下可聚合；所述甘油为高粘度的增稠剂，有利于墨水的转移，其难挥发的性质有利于微液滴的长期稳定；

所述增稠剂一方面增加墨水在***表面的含量，另一方面当***与基底表面接触时，由于其高粘度，有利于墨水转移至基底表面形成微液滴。甘油的高沸点与吸湿性可使微液滴在空气环境下长久保持湿润，利于多巴胺的聚合反应；

所述吐温-20为非离子型表面活性剂，降低表面张力，利于墨水在疏水表面的打印，而离子型表面活性剂会阻碍聚多巴胺薄膜生成，不能使用；

所述抗坏血酸为抗氧化剂，可防止多巴胺在空气中的氧化，使其在***表面保留时间可大于6h而不发生自聚合反应，便于多次反复印刷；

通过改善多巴胺墨水空气稳定性，使墨水涂布于***表面时不发生自聚合，可以使印刷重复进行上百次，延长***使用时间，提高生产率。同时可通过外加手段引发与调控聚合，选择性地在不同区域进行聚合反应及调节聚合时间，提高图案复杂度。

由于疏水表面对水溶液的排斥性，微阵列很难在疏水表面印刷。本发明通过调控多巴胺墨水溶液组分，在高疏水表面成功印刷了亚微米级微液滴阵列，进一步提高了技术对不同印刷基底的普适性。

所述有机溶剂采用低挥发低表面张力的溶剂，利于墨水的涂布及在疏水表面的打印。

所述多巴胺墨水的墨水配方适用于通过硅橡胶软***来实现盐酸多巴胺单体在不同表面能表面的快速接触式打印，也可适用于原子力显微镜探针进行扫描探针蘸笔纳米刻蚀技术。

本发明还提供了一种多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，包括如下步骤：

1)将打印基底进行清洗并表面修饰；

2)在具有微图案结构的软***表面均匀旋涂上多巴胺墨水；

3)将打印基底与软***接触并轻微按压，在打印基底表面形成液滴阵列，置于氨气氛围或者紫外光照下进行反应得到聚多巴胺微纳图案。

步骤1)所述打印基底包括亲水基底，具体包括清洗干净后的硅片或者玻璃片；

所述表面修饰包括采用线性PDMS或者硅烷修饰，具体包括如下两种操作：

A.采用线性PDMS进行表面修饰：将硅片或者玻璃片进行等离子体处理，之后浸泡于线性PDMS中高温反应，取出硅片或者玻璃片采用有机溶剂冲洗，并用氮气吹干。

B.采用硅烷进行表面修饰：将硅片或者玻璃片进行等离子体处理，将硅片或者玻璃片置于干燥器中，放入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷并抽真空使其挥发，取出烘烤，采用有机溶剂冲洗，并用氮气吹干。

步骤2)所述软***包括硅橡胶软***，所述硅橡胶软***的制备包括如下步骤：

2a)利用光刻与KOH湿法刻蚀在硅片表面制备倒金字塔阱微图案阵列，作为制备软***的模板；

2b)将聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂以10:1～5:1的质量比混合，充分混合搅拌之后进行抽气处理，直至得到的混合粘稠液体内完全不含气泡之后，将粘稠液体缓慢倒在硅模板表面，高温下放置固化；

2c)固化后的PDMS与硅模板分离，得到具有微图案结构的硅橡胶软***。

所述步骤3)经过进一步碱性气氛中或紫外光照引发打印产生的微液滴中多巴胺聚合反应，以获得较大范围(＞1cm²)、高通量、高精度(＜1μm尺寸)的聚多巴胺微纳米图案。

上述方法中采用原位聚合的方式可以使聚多巴胺薄膜更好粘附在不同基底表面，特别是具有抗粘附性能的高疏水表面。并且，微液滴的大小可以受印刷条件方便控制，包括接触时间、接触压力、墨水粘度与界面表面张力等，可以实现不同尺寸图案及在同一基底上梯度图案的制备。此外微液滴的组分也可以通过结合喷涂等手段调节***表面不同区域墨水组成的方式进行调节。

同时，调节微液滴的尺寸与组成也可对聚多巴胺薄膜形貌进行有效调控；可根据需要在多种基底表面印刷不同的图案，包括平面、微纳结构表面、弯曲表面、柔性基底等，并兼容高精度定位平台机械操作，具备普适性及实际应用的基础。

本发明还提供了上述方法制备得到的聚多巴胺微纳图案应用于高分子凝胶及无机晶体微阵列的制备

本发明还提供了上述方法制备得到的聚多巴胺微纳图案应用于生物分子的选择性吸附与免疫检测。

本发明的有益效果如下：

本发明的多巴胺墨水，采用中性有机溶剂和抗氧化剂作为聚合反应溶剂，提高多巴胺墨水的空气稳定性，利用氨气或紫外光照调控多巴胺的聚合反应，通过调节墨水溶剂及添加非离子型表面活性剂，使微液滴能在高疏水抗粘附表面可靠均匀打印，进一步提高了技术对不同印刷基底的普适性；

本发明的多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，采用微液滴内原位聚合的方式生成聚多巴胺微纳米图案化结构，通过聚合物软***批量可控生成微液滴阵列，实现聚多巴胺从亚微米到数十微米的高分辨微纳米图案在多种基底表面的高通量制备，成本低、方法简单且具有很好的重复性，更利于高通量高精度微纳阵列制备，且可根据需要在多种基底表面印刷不同的图案；

此外聚多巴胺表面形貌(高度、粗糙度等)在不同的应用方面有不同功能，本发明可通过改变微液滴组成对聚多巴胺图案形貌进行调节，为调控聚多巴胺功能提供了参考。

附图说明

图1为采用多巴胺墨水制备微纳图案的制备流程图；

图2为经过表面修饰的硅片的接触角示意图；

图3为不同墨水在不同表面印刷微液滴阵列的示意图；

图4为多巴胺墨水以及其生成聚多巴胺微纳图案的示意图；

图5为形成聚多巴胺微纳图案随液滴高度的变化分析图；

图6为形成聚多巴胺微纳图案随表明活性剂的变化分析图；

图7为明胶水凝胶微阵列的光学显微镜图；

图8为钙钛矿微阵列的光学及荧光显微镜图；

图9为Anti-IgG荧光标记蛋白阵列的荧光显微镜图。

具体实施方式

以下通过具体的实施案例以及附图说明对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。

实施例1

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺5mg/mL、吐温-20 0.1mg/mL、抗坏血酸3mg/mL、甘油200mg/mL、乙醇90％v/v和水10％v/v。

实施例2

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺10mg/mL、吐温-20 0.6mg/mL、抗坏血酸5mg/mL、聚乙二醇200mg/mL、乙醇80％v/v和水20％v/v。

实施例3

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺20mg/mL、吐温-20 5mg/mL、抗坏血酸10mg/mL、乙二醇10mg/mL、乙醇80％v/v和水20％v/v。

实施例4

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺15mg/mL、吐温-20 3mg/mL、抗坏血酸7mg/mL、甘油100mg/mL、异丙醇50％v/v和水50％v/v。

实施例5

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺2mg/mL、甘油50mg/mL和水100％v/v。

实施例6

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺15mg/mL、抗坏血酸3mg/mL、甘油100mg/mL、正丁醇50％v/v和水50％v/v。

实施例7

一种多巴胺墨水：

盐酸多巴胺15mg/mL、吐温-20 3mg/mL、抗坏血酸7mg/mL、聚乙二醇100mg/mL、乙醇50％v/v和水50％v/v。

实施例8

一种多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，包括如下步骤：

如图1所示为制备工艺流程图：

1)将打印基底硅片清洗并采用线性PDMS进行表面修饰：进行表面修饰：将清洗干净的硅片进行等离子体处理10分钟，之后浸泡于线性PDMS(分子量为6000)中高温100℃反应24h，取出硅片泡在甲苯中1h，甲苯冲洗后用异丙醇冲洗，并用氮气吹干；

2)在具有微图案结构的软***表面均匀旋涂上多巴胺墨水；

所述软***包括硅橡胶软***，其制备包括如下步骤：

2a)利用光刻与KOH湿法刻蚀在硅片表面制备倒金字塔阱微图案阵列，作为制备软***的模板；

2b)将聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂(市场购买的商品套装Dow CorningSylgard 184)以10:1～5:1的质量比混合，充分混合搅拌10min后进行抽气处理，待混合的粘稠液体内完全不含气泡后，将其缓慢倒在硅模板表面，然后70℃烘箱内放置2小时使PDMS固化；

2c)固化后的PDMS与硅模板分离，得到硅橡胶软***。

3)将打印基底与软***接触并轻微按压，在打印基底表面形成液滴阵列，置于氨气氛围或者紫外光照下进行反应得到聚多巴胺微纳图案。

实施例9

一种多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，包括如下步骤：

1)将打印基底进行清洗并采用含氟硅烷进行表面修饰：将清洗干净玻璃片进行等离子体处理10分钟，将玻璃片置于干燥器中，放入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷并抽真空使其挥发，维持3h，取出1000℃烘烤30分钟，采用甲苯冲洗后用异丙醇冲洗，并用氮气吹干；

2)在具有微图案结构的软***表面均匀旋涂上多巴胺墨水；

所述软***包括硅橡胶软***，其制备包括如下步骤：

2a)利用光刻与KOH湿法刻蚀在硅片表面制备倒金字塔阱微图案阵列，作为制备软***的模板；

2b)将聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂(市场购买的商品套装Dow CorningSylgard 184)以10:1～5:1的质量比混合，充分混合搅拌10min后进行抽气处理，待混合的粘稠液体内完全不含气泡后，将其缓慢倒在硅模板表面，然后70℃烘箱内放置2小时使PDMS固化；

2c)固化后的PDMS与硅模板分离，得到硅橡胶软***。

3)将打印基底与软***接触并轻微按压，在打印基底表面形成液滴阵列，置于氨气氛围或者紫外光照下进行反应得到聚多巴胺微纳图案。

将本发明实施例中形成的多巴胺墨水进行如下试验以及应用：

1.在未表面修饰的表面印刷墨水

在未修饰的硅片或者玻璃片表面，采用实施例5的墨水旋涂硅橡胶软***，可以通过一次接触打印出微液滴阵列，尺寸约为10～50μm；

2.在经过表面修饰的表面印刷墨水

由图2可见，硅橡胶软***表面未修饰之前较为亲水，将其表面修饰了线性PDMS与氟硅烷之后，接触角分别提高至108.3°和116.7°，形成高疏水表面；

在接触角大于100°的高疏水表面，采用实施例5的墨水印刷成功率较低；

如图3所示，图3A为采用实施例5的多巴胺墨水在亲水硅片上印刷所形成的微液滴阵列；

图3B为采用实施例5的多巴胺墨水在高疏水硅片表面(线性PDMS修饰硅片)上的打印效果图；

图3C为采用实施例6的多巴胺墨水在高疏水硅片表面(线性PDMS修饰硅片)上的打印效果图；

图3D为采用实施例1的多巴胺墨水在高疏水硅片表面(线性PDMS修饰硅片)上的打印效果图；

由图3可见，利用乙醇溶剂可减少墨水在打印点周围的残留，而添加表面活性剂可进一步增强墨水传输，使打印出的微液滴尺寸更大，所得阵列更为均匀。

图4为在经过线性PDMS修饰硅片表面打印出的均匀微液滴阵列(图4A)及反应完成后所得聚多巴胺微纳图案(图4B)，所制备微液滴在氨气氛围中反应12小时后，经过清洗可得到浅棕至深棕色的聚多巴胺微点阵列；

利用不同微纳结构的硅橡胶软***也可以实现不同微纳图案聚多巴胺微纳图案的制备，如图4C所示，采用5μm直线图案(间距10μm)的硅橡胶软***在疏水表面进行微液滴印刷，由于液滴的去润湿效应，可以得到亚微米尺寸的聚多巴胺颗粒阵列。

3.调节微液滴反应条件可以获得多种形貌的聚多巴胺微纳图案阵列

如图5所示，随着反应时间的增长，所得聚多巴胺薄膜的高度及形貌发生变化，采用10mM的实施例1的多巴胺墨水打印之后反应3～36h，可由厚度约为5nm的较光滑的薄膜生长为厚度约为25nm的薄膜且更为粗糙，调整多巴胺墨水的浓度也可以调节聚多巴胺薄膜的形貌。

采用不同浓度的多巴胺墨水打印15μm直径的圆点，在氨气氛围中反应36h后，25mM的实施例1多巴胺墨水可得到厚度20～30nm、粗糙度16.7nm的薄膜；而100nM的实施例7的多巴胺墨水形成了厚度30～40nm致密薄膜、表面堆积很多100～150nm高度的颗粒，整体粗糙度达到56.2nm。

4.不同浓度的表面活性剂对聚多巴胺微纳图案的影响

增加表面活性剂浓度可以使得液滴更容易在基底表面扩散，微纳图案尺寸变大。

如图6中的图A～C所示，为聚多巴胺微点尺寸及形貌随表面活性剂浓度的变化图，增加表面活性剂浓度可以使液滴更容易在基底表面扩散，图案尺寸变大。然而在相同尺寸图案条件下(10微米圆点)，聚多巴胺高度随表面活性剂浓度增加而降低，其中在表面活性剂浓度临界胶束浓度附近(0.1mM到0.5mM)范围内变化最为明显。

如图6中的图D～E所示，为聚多巴胺微点高度与尺寸的关系图，所有标尺均为2μm，当所得微液滴直径<5μm，产生的聚多巴胺高度可达150nm。而微液滴直径在6～20μm范围时生成的聚多巴胺高度有显著降低，约100nm，证明尺寸效应对聚多巴胺生长具有一定影响。

5.聚多巴胺微纳图案的应用

5.1聚合物凝胶及钙钛矿阵列的制备

如实施例8所示，采用实施例2的多巴胺墨水在线性PDMS表面修饰的硅片表面制备多巴胺微液滴阵列，在氨气的气氛下过夜生长聚多巴胺微阵列；

聚合物水凝胶阵列的制备：配制质量分数为5％的明胶水溶液，加热70℃至完全溶解，取液滴缓缓滚过聚多巴胺微阵列并选择性吸附于表面，置于4℃形成水凝胶微阵列，如图7。

钙钛矿阵列的制备：混合0.1M甲基溴化铵(MABr)与0.1M溴化铅(PbBr₂)的DMSO溶液，然后按上述方法制备微液滴阵列，在手套箱内静置24h待溶剂挥发结晶形成钙钛矿MAPbBr₃微阵列，如图8。

5.2免疫荧光检测生物微芯片的制备

如实施例8所示，采用实施例2的多巴胺墨水在线性PDMS表面修饰的硅片表面制备多巴胺微液滴阵列，在氨气的气氛下过夜生长聚多巴胺微阵列；

IgG蛋白阵列的制备：将IgG蛋白溶液滴在聚多巴胺微阵列表面，静置反应6h后，分别用1×PBS溶液、吐温-20表面活性剂溶液及去离子水冲洗硅片表面。

Anti-IgG荧光蛋白阵列的检测：将Anti-IgG荧光蛋白溶液滴在聚多巴胺微阵列表面，遮光静置反应2h后，分别用1×PBS溶液、吐温-20表面活性剂溶液及去离子水冲洗硅片表面。使用荧光显微镜表征所得图像如图8所示，可以明显看到蛋白选择性吸附在所打印的聚多巴胺点阵表面，以及经过抗体-抗原识别之后产生荧光微图案阵列(图9)。

以上表明本发明的多巴胺墨水以及其制备聚多巴胺微纳图案的方法可以获得较高产率并且均匀、稳定的微纳图案阵列，所制备的表面亲疏水微纳图案可应用于高分子凝胶及无机晶体微阵列的制备，以及生物分子的选择性吸附与免疫检测。

Claims (5)

1.一种多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将打印基底进行清洗并表面修饰；

2）在具有微图案结构的软***表面均匀旋涂上多巴胺墨水；

所述多巴胺墨水的组分包括盐酸多巴胺、吐温-20、抗坏血酸、增稠剂、有机溶剂和水；

所述增稠剂包括甘油、乙二醇、聚乙二醇的一种；

3）将打印基底与软***接触并轻微按压，在打印基底表面形成微液滴阵列，置于氨气氛围或者紫外光照下进行反应得到聚多巴胺微纳图案；

步骤2）所述软***包括硅橡胶软***，所述硅橡胶软***的制备包括如下步骤：

2a）利用光刻与KOH湿法刻蚀在硅片表面制备微图案阵列，作为制备软***的模板；

2b）取硅橡胶预聚物与交联剂混合反应，充分混合搅拌之后进行抽气处理，直至得到的混合粘稠液体内完全不含气泡之后，将粘稠液体缓慢倒在硅模板表面，高温下放置固化；

2c）固化后的PDMS与硅模板分离，得到具有微图案结构的硅橡胶软***。

2.由权利要求1所述的多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，其特征在于，步骤1）所述打印基底包括亲水基底，包括硅片或者玻璃片。

3.由权利要求1所述的多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，其特征在于，步骤1）所述表面修饰包括采用线性聚二甲基硅氧烷PDMS或者硅烷修饰，具体包括如下两种操作：

A．采用线性PDMS进行表面修饰：将硅片或者玻璃片进行等离子体处理，之后浸泡于线性PDMS中高温反应，取出硅片或者玻璃片冲洗、吹干；

B．采用硅烷进行表面修饰：将硅片或者玻璃片进行等离子体处理，将硅片或者玻璃片置于干燥器中，放入1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷并抽真空使其挥发，取出烘烤、冲洗、吹干。

4.由权利要求1所述的多巴胺墨水用于制备微纳图案的方法，其特征在于，按质量分数计，多巴胺墨水中盐酸多巴胺占1~20 mg/mL、吐温-20占0~6 mg/mL、抗坏血酸占0~10 mg/mL、增稠剂占10~200 mg/mL、有机溶剂占0~100% V/V以及水0~100% V/V，所述吐温-20、抗坏血酸、有机溶剂以及水的用量均不为0。

5.一种权利要求1~4任一项所述方法制备得到的聚多巴胺微纳图案应用于高分子凝胶及无机晶体微阵列的制备。

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