一种具有表面图案化的凝胶、制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种具有表面图案化的凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)提供一个表面具有亲水区域和疏水区域的图案化基底；(2)向图案化基底表面施加包含水凝胶预聚液和油凝胶预聚液的乳液，预聚液中的水凝胶单体和油凝胶单体在基底表面自组装；(3)将所述乳液聚合完全并从所述基底剥离后，得到具有图案化的凝胶。本发明专利技术通过一种简单的浸润转移的方法实现凝胶表面的图案化，制备过程简单易行，不需要复杂的设备，可以同时实现从2D到3D，从微观到宏观的凝胶图案的制备，制备得到的图案清晰度和精度高。晰度和精度高。晰度和精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面图案化的凝胶、制备方法和用途


[0001]本专利技术属于凝胶领域，具体涉及一种具有表面图案化的凝胶、制备方法和用途、包含其的图案转印印章和使用方法，更进一步涉及一种利用固/液界面的亲/疏水相互作用制备的表面图案化凝胶、制备方法和用途、包含其的图案转印印章和使用方法。

技术介绍

[0002]图案化凝胶可用于对DNA、荧光分子的检测、智能驱动、生物分子筛选、诱导细胞分化等，在实际生活中具有广阔的应用前景，因此，图案化凝胶的制备方法受到广泛关注。现有技术中有多种方法可实现对凝胶的图案化，例如利用光刻法对一种光可降解的聚乙二醇基水凝胶实现图案化，紫外光可以在时间和空间上调节该凝胶的理化性质，并在体相实现纳米级的图案化，但该方法对凝胶的种类有很高的要求，且无法实现表面图案化。通过3D/4D打印方法可以实现对凝胶的图案化，但是需要复杂的3D/4D打印设备，且所制备的图案为体相图案。软刻蚀技术采用模板复形的方法，将凝胶预聚液灌注到具有特定结构的表面，在光聚合后，将固化后的凝胶从基底上剥离下来，即可复形得到具有特定图案的结构，但该方法只可以复形得到具有凹凸结构的3D图案，无法得到2D图案，且图案的精度有限。计算机辅助离子喷墨打印技术能够在大尺寸水凝胶样品的表面上直接打印批量的、非常复杂的图案，但对凝胶的种类有限制，精度很低，只在亚微米级别。通过电子束刻蚀技术可以在硅表面构筑精细的含胺基的低聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯热响应性聚合物图案，但该方法同样存在设备昂贵，耗时长，对凝胶种类要求高的问题。
[0003]因此，制备图案化凝胶的现有技术普通存在以下问题：对凝胶的种类有很大的限制，设备昂贵，制备复杂；往往只能实现对凝胶的本体图案化，很难实现对凝胶的表面图案化；部分方法精度较低，无法同时实现2D和3D的图案等。因此，本领域需要开发一种能够解决上述问题的表面图案化凝胶的制备方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种具有表面图案化的凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0005](1)提供一个表面具有亲水区域和疏水区域的图案化基底；
[0006](2)向图案化基底表面施加包含水凝胶预聚液和油凝胶预聚液的乳液，预聚液中的水凝胶单体和油凝胶单体在固液界面进行自组装；
[0007](3)将所述乳液聚合完全并从所述基底剥离后，得到具有图案化的凝胶。
[0008]将乳液施加到表面具有亲水区域和疏水区域的图案化基底上后，由于固/液界面的亲/疏水相互作用的诱导效应，乳液液滴会发生定向运动，亲水单体会因为亲水相互作用而向基底的亲水区域运动，相反，疏水单体则会因为疏水相互作用而向基底的疏水区域运动，即乳液接触亲水区域的部分在凝胶化后成为亲水水凝胶的表面区域，接触疏水区域的部分凝胶化后成为疏水油凝胶的表面区域。因此，基底表面由于浸润性差异形成的图案可
以被完美地转移到凝胶表面，即可得到表面图案化的凝胶。
[0009]本专利技术通过选择包含水凝胶预聚液和油凝胶预聚液的乳液作为图案化凝胶的前驱体，利用基底表面浸润性的差异，通过亲/疏水相互作用的诱导效应，实现乳液中的亲水单体和疏水单体的定向迁移，并通过聚合成型，得到表面图案化的凝胶。表面图案化凝胶图案的大小和维度由基底来决定，二维基底可以制备二维凝胶，三维基底可以制备三维立体凝胶；凝胶图案大小可以从微观(几微米到几百微米)到宏观(从几百微米到几十厘米)。因此，通过一种简单的制备方法，可以同时实现从2D到3D，从宏观到微观的凝胶图案的制备，制备得到的图案清晰度和精度高。
[0010]优选地，所述乳液包括水包油乳液或油包水乳液；将所述水凝胶预聚液和所述油凝胶预聚液混合后乳化得到所述乳液；所述水凝胶预聚液包括在水中分散的水凝胶单体、水凝胶单体引发剂和水凝胶交联剂；所述油凝胶预聚液包括油凝胶单体、油凝胶单体引发剂和油凝胶交联剂。
[0011]所述乳液包括水包油乳液或油包水乳液，也可以使用水包油包水乳液或油包水包油乳液，以及其他包含亲水单体和疏水单体的乳液，只要能够形成包含水相和油相的两相或多相乳液即可。所述乳液由水凝胶预聚液和油凝胶预聚液通过超声后乳化得到稳定的乳液。所述在水中分散的水凝胶单体在引发剂和交联剂作用下发生交联聚合，形成亲水的水凝胶；所述油凝胶单体在引发剂和交联剂的作用下发生交联聚合，形成疏水的油凝胶。水凝胶和油凝胶通过界面聚合反应实现紧密的结合。
[0012]优选地，所述水凝胶单体具有结构，其中R为亲水基团，所述亲水基团包括酰胺基团、羧基、羟基、氨基中的任意一种或至少两种的组合。
[0013]优选地，所述水凝胶单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
[0014]水凝胶单体具有亲水基团，选择合适的亲水基团，使亲水单体能够和基底表面亲水区域的修饰分子产生亲水相互作用，并实现向基底亲水区域的有效迁移，亲水相互作用越强越好，从而保证图案的边界清晰、连续和图案的完整性。
[0015]优选地，所述水凝胶预聚液中，水凝胶单体的含量为1mol/L～6mol/L，例如1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L、2.5mol/L、3.0mol/L、3.5mol/L、4.0mol/L、4.5mol/L、5.0mol/L、5.5mol/L、6.0mol/L等，优选2.5mol/L。
[0016]水凝胶预聚液中水凝胶单体含量低于1mol/L，则水凝胶的力学强度较差，且可向界面运动的单体量较少，造成图案完整性降低；水凝胶单体含量高于6mol/L，则水凝胶单体不易均匀分散，同样影响图案的完整性。
[0017]优选地，所述水凝胶单体引发剂包括苯酮类、苯甲酰类，优选2,2
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二乙氧基苯乙酮和/或2
‑
羟基
‑
4'
‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮；优选地，所述水凝胶预聚液中，所述水凝胶单体引发剂的含量为0.05mg/mL～3mg/mL，例如0.05mg/mL、0.1mg/mL、0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL、3mg/mL等，优选0.5mg/mL。
[0018]能够引发所述水凝胶单体聚合的引发剂均可使用，优选2,2
‑
二乙氧基苯乙酮和/或2
‑
羟基
‑
4'
‑
(2
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羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮；当水凝胶预聚液中水凝胶单体聚合引发剂的含量低于0.05mg/mL时，光聚合不完全；水凝胶单体聚合引发剂的含量高于3mg/mL时，则聚合过程中容易发生爆聚，导致聚合不均匀，力学强度低，影响制备的表面图案化凝胶的机械
性能。
[0019]优选地，所述水凝胶交联剂包括多异氰酸酯类、多元胺类、多元醇类、缩水甘油醚类、有机过氧化物类、有机硅类、金属有机化合物类、无机物类，优选无机纳米粘土本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有表面图案化的凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)提供一个表面具有亲水区域和疏水区域的图案化基底；(2)向图案化基底表面施加包含水凝胶预聚液和油凝胶预聚液的乳液，预聚液中的水凝胶单体和油凝胶单体在基底表面自组装；(3)将所述乳液聚合完全并从所述基底剥离后，得到具有图案化的凝胶。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乳液包括水包油乳液或油包水乳液；优选地，将所述水凝胶预聚液和所述油凝胶预聚液混合后乳化得到所述乳液；优选地，所述水凝胶预聚液包括在水中分散的水凝胶单体、水凝胶单体引发剂和水凝胶交联剂；所述油凝胶预聚液包括油凝胶单体、油凝胶单体引发剂和油凝胶交联剂。3.如权利要求1～2之一所述的制备方法，其特征在于，所述水凝胶单体具有结构，其中R为亲水基团，所述亲水基团包括酰胺基团、羧基、羟基、氨基中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述水凝胶单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述水凝胶预聚液中，水凝胶单体的含量为1mol/L～6mol/L，优选2.5mol/L；优选地，所述水凝胶单体引发剂包括苯酮类、苯甲酰类，优选2,2
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二乙氧基苯乙酮和/或2
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羟基
‑
4'
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(2
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羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮；优选地，所述水凝胶预聚液中，所述水凝胶单体引发剂的含量为0.05mg/mL～3mg/mL，优选0.5mg/mL。优选地，所述水凝胶交联剂包括多异氰酸酯类、多元胺类、多元醇类、缩水甘油醚类、有机过氧化物类、有机硅类、金属有机化合物类、无机物类，优选无机纳米粘土片和/或N,N
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亚甲基双丙烯酰胺；优选地，所述水凝胶预聚液中，所述水凝胶交联剂的含量为1wt％～16wt％，优选所述水凝胶交联剂为含量8wt％的无机纳米粘土片，或0.05wt％～1wt％的N,N
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亚甲基双丙烯酰胺，优选0.4wt％的N,N
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亚甲基双丙烯酰胺。4.如权利要求1～3之一所述的制备方法，其特征在于，所述油凝胶单体具有结构，其中R1为
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H、烷基，R2为烷基、酯基、醚基、芳香基中的任意一种或至少两种的组合，碳链数目为4～18；优选地，所述油凝胶单体包括丙烯酸酯类和/或甲基丙烯酸酯类。优选地，所述油凝胶单体与水凝胶单体的摩尔比为5:1
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1:5，优选2:1；优选地，所述油凝胶单体引发剂包括苯酮类、苯甲酰类，优选2,2
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二乙氧基苯乙酮；优选地，所述油凝胶预聚液中，所述油凝胶单体引发剂的含量为0.02wt％～0.3wt％，优选0.08wt％；优选地，所述油凝胶交联剂包括多异氰酸酯类、多元胺类、多元醇类、缩水甘油醚类、有机过氧化物类、有机硅类、金属有机化合物类、无机物类，优选二甲基丙烯酸乙二醇酯和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；
优选地，所述油凝胶预聚液中，所述油凝胶交...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树涛，万茜子，贾岚欣，刘熹，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：