基於(yu)馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應的(de)自支撐波浪(lang)式(shi)氧化(hua)石墨烯模塊(kuai)化(hua)錐(zhui)形管(guan)制備技術

氧化(hua)石墨烯（GO）作為(wei)壹種(zhong)二維石墨烯衍生物(wu)，因其表(biao)面富(fu)含羧(suo)基(ji)、環(huan)氧基(ji)和羥(qiang)基(ji)等含(han)氧官(guan)能(neng)團而(er)具(ju)備優異(yi)的(de)親水性和溶液分(fen)散(san)性，可通(tong)過經濟高效(xiao)的氧化(hua)剝離工藝(yi)制(zhi)備(bei)。然而，GO單(dan)層(ceng)結構(gou)的高柔(rou)韌性使其(qi)難以直接構(gou)建(jian)穩定(ding)的(de)三(san)維宏觀結構(gou)，限制(zhi)了其(qi)在生(sheng)物(wu)醫學(xue)領(ling)域(yu)的(de)進(jin)壹步應用(yong)。

針(zhen)對(dui)這(zhe)壹挑戰，來自成(cheng)均館大(da)學(xue)、延世大(da)學(xue)、中(zhong)央大(da)學(xue)、香港理工大(da)學(xue)等聯(lian)合研究(jiu)團(tuan)隊提(ti)出了(le)壹種(zhong)基(ji)於(yu)馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應的(de)創新(xin)策略，通過調控(kong)GO懸(xuan)浮(fu)液的(de)乙(yi)醇濃(nong)度、顆(ke)粒(li)尺(chi)寸(cun)、溶液pH值(zhi)及黏度(du)等參(can)數，在錐(zhui)形聚(ju)合物(wu)微孔中(zhong)實(shi)現可控(kong)對流(liu)與溶劑蒸(zheng)發，從而制備自支撐的波浪(lang)形氧化(hua)石墨烯模塊(kuai)化(hua)錐(zhui)形管(guan)（GMTPs）。該技術突破了傳(chuan)統模板(ban)法(fa)的限制(zhi)，為(wei)組織工程(cheng)和生(sheng)物(wu)芯片(pian)提(ti)供(gong)了可規(gui)模化(hua)生(sheng)產的解(jie)決方(fang)案(an)。相關研究(jiu)以(yi)“Fabrication of Free-Standing Undulating Graphene Oxide Modular Tapered Pipes Using the Marangoni Effect"發表(biao)在國(guo)際期(qi)刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上(shang)。

①馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應調控(kong)與GMTP形成(cheng)機制(zhi)

馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應由表(biao)面張(zhang)力(li)梯(ti)度(du)驅(qu)動，是(shi)GMTP結構(gou)形成(cheng)的核(he)心(xin)機(ji)制。實(shi)驗采用(yong)深度250 μm、入口直徑(jing)500 μm、底部(bu)收窄至(zhi)350 μm的PDMS錐(zhui)形微(wei)孔，註(zhu)入含(han)20 wt%乙(yi)醇的GO懸(xuan)浮(fu)液（0.7μL）。在25℃靜(jing)置蒸(zheng)發過程(cheng)中(zhong)，乙(yi)醇優先(xian)揮發會(hui)引(yin)發液膜(mo)曲(qu)率增大(da)，隨(sui)即(ji)推(tui)動GO碎(sui)片向(xiang)微孔底部(bu)堆(dui)疊(die)，最終形(xing)成(cheng)錐(zhui)形管(guan)狀(zhuang)結構(gou)。此過程(cheng)分(fen)為(wei)三(san)個(ge)階(jie)段(duan)：初始(shi)對流(liu)期(qi)（乙(yi)醇蒸(zheng)發驅(qu)動GO碎(sui)片(pian)聚(ju)集(ji)）、種(zhong)子(zi)膜(mo)形(xing)成(cheng)期(qi)（微孔入(ru)口(kou)處形成(cheng)環狀(zhuang)薄(bo)膜(mo)引(yin)導後(hou)續(xu)沈積(ji)）、咖啡環效(xiao)應期(qi)（底部(bu)低濃(nong)度懸(xuan)浮(fu)液向(xiang)側(ce)壁(bi)遷(qian)移(yi)完成(cheng)成(cheng)膜(mo)）。

實(shi)驗表(biao)明(ming)，乙(yi)醇濃(nong)度70 wt%可維持最佳(jia)表(biao)面張(zhang)力(li)梯(ti)度(du)，濃(nong)度低於(yu)30 wt%或高於(yu)99.9 wt%均導致對流(liu)失效(xiao)；GO碎片(pian)尺寸(cun)需控(kong)制在1000–1700 nm（pH 7.0，ζ電(dian)位(wei)-31至(zhi)-35 mV），尺寸(cun)過小(xiao)（<800 nm）或(huo)過大(da)（>2000 nm）分(fen)別(bie)會(hui)引(yin)發過度(du)或不足的馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應；溫(wen)度25℃平(ping)衡蒸(zheng)發速率（0.56 μg/s），避(bi)免(mian)高溫(wen)導致的過度(du)對流(liu)。

因此，乙(yi)醇濃(nong)度、蒸(zheng)發溫(wen)度、GO碎(sui)片尺寸(cun)及(ji)溶液pH值(zhi)必須(xu)嚴(yan)格控制在範(fan)圍內(nei)才能(neng)成(cheng)功(gong)構(gou)建(jian)三(san)維GMTP結構(gou)。任壹參(can)數偏(pian)離(li)區(qu)間(jian)均會(hui)導致問題出現(xian)，不僅(jin)降(jiang)低制備(bei)效(xiao)率，更(geng)可能(neng)直接導致三(san)維結構(gou)構(gou)建(jian)失敗。

圖(tu)1. 馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應的(de)程(cheng)度(du)取(qu)決於(yu)GO懸(xuan)浮(fu)液的(de)特(te)性和GO基(ji)幾(ji)何(he)結構(gou)的相關形(xing)態。

②黏(nian)度(du)對(dui)自支撐結構(gou)的決定(ding)性作用(yong)

懸(xuan)浮(fu)液黏(nian)度(du)（η）是(shi)GMTP結構(gou)穩定(ding)性的核(he)心(xin)影(ying)響因素。通(tong)過拉曼光譜(pu)分(fen)析(xi)發現：合適黏(nian)度(du)（η₀）對(dui)應500 mg/mL懸(xuan)浮(fu)液，可形(xing)成(cheng)高度(du)500 μm、均勻附(fu)著側(ce)壁(bi)的(de)完整GMTP；高黏(nian)度（>η₀）導致GO碎片在入(ru)口過度(du)聚集(ji)，液膜(mo)曲(qu)率不足導致薄膜(mo)成(cheng)型困(kun)難，形成(cheng)短厚環(huan)狀(zhuang)結構(gou)；低黏度(du)（<η₀），GO碎(sui)片(pian)仍無法充(chong)分(fen)聚(ju)集，這(zhe)導致薄膜(mo)難以在微(wei)孔側(ce)壁(bi)形(xing)成(cheng)——由於(yu)乙(yi)醇蒸(zheng)發使懸(xuan)浮(fu)液濃(nong)度升(sheng)高、黏(nian)度增大(da)，最終僅(jin)在底部(bu)形成(cheng)短小(xiao)的(de)杯狀(zhuang)GMTP結構(gou)。與傳統模板(ban)法(fa)對比驗證所得(de)，通(tong)過創新(xin)整合(he)馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應與黏度調控(kong)，可實(shi)現傳統(tong)方(fang)式(shi)無法(fa)制備的高精(jing)度微結構(gou)。

圖(tu)2. 基(ji)於(yu)GO懸(xuan)浮(fu)液黏(nian)度(du)的GO幾(ji)何(he)結構(gou)拉曼層(ceng)析(xi)成(cheng)像。

③波(bo)浪(lang)形結構(gou)設計(ji)提(ti)升(sheng)機械(xie)性能

通(tong)過對(dui)聚二甲(jia)基(ji)矽氧烷(wan)（PDMS）微孔進(jin)行(xing)多(duo)方(fang)向(xiang)的簡(jian)單物(wu)理操(cao)作(zuo)（拉伸(shen)與彎曲(qu)），可實(shi)現結構(gou)恢(hui)復。這(zhe)壹過程(cheng)生(sheng)成(cheng)了具(ju)有(you)管(guan)狀(zhuang)架(jia)構(gou)的GMTP模塊(kuai)，其(qi)壹端內(nei)徑(jing)更窄（圖3b）。該方(fang)法實(shi)現了(le)自支撐GMTP的大(da)規(gui)模生(sheng)產(chan)，單塊微(wei)孔基(ji)底可制(zhi)備約215個(ge)GMTP模塊(kuai)，制(zhi)備效(xiao)率達(da)96%。基(ji)於(yu)長度(du)、內(nei)徑(jing)與外徑(jing)的模具(ju)精(jing)度測量(liang)誤差為(wei)±6.25 μm。

為(wei)探索量(liang)產GMTP的模塊(kuai)化(hua)潛力(li)，將(jiang)其組裝成(cheng)純氧化(hua)石墨烯（GO）的延伸(shen)管(guan)狀(zhuang)結構(gou)（圖3c）。通(tong)過導線引(yin)導的(de)微(wei)流(liu)控系統，可通(tong)過調整堆(dui)疊(die)模塊(kuai)數量(liang)控制GMTP組裝長(chang)度(du)（圖(tu)3d）。研究(jiu)團(tuan)隊基於(yu)摩方(fang)精密(mi)面投影(ying)微立(li)體(ti)光刻(ke)（PμSL）技(ji)術（nanoArch® S130，精(jing)度：2 μm），選(xuan)用(yong)耐(nai)候性工程(cheng)樹脂(zhi)（RG）打(da)印(yin)高精(jing)度錐(zhui)形微(wei)孔陣列(lie)母模，並(bing)通(tong)過PDMS翻(fan)模工藝(yi)制(zhi)備(bei)了微孔陣列(lie)模板(ban)。隨(sui)後(hou)為(wei)增強模塊(kuai)化(hua)組裝的(de)穩定(ding)性，在微(wei)孔側(ce)壁(bi)構(gou)建(jian)周期(qi)性波浪(lang)結構(gou)（波長(chang)10 μm）。該設(she)計(ji)顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)GMTP的機械(xie)性能：單(dan)模塊(kuai)在90%濕(shi)度(du)下(xia)承(cheng)受軸(zhou)向(xiang)壓縮(suo)比0.3後(hou)恢(hui)復率(lv)>95%，而濕(shi)度(du)低於(yu)60%時(shi)結構(gou)坍塌(ta)；波(bo)浪(lang)形結構(gou)使10個(ge)模塊(kuai)可緊密堆(dui)疊(die)為(wei)內(nei)聚性長管(guan)，重疊區(qu)厚(hou)度(du)增(zeng)至(zhi)2.5±0.62 μm，流(liu)體(ti)測(ce)試(shi)（1–10 mm/s流(liu)速）證(zheng)實(shi)其(qi)耐(nai)受生理級(ji)粘(zhan)度（3 mPa·s）且(qie)無(wu)泄(xie)漏(lou)。

圖(tu)3. 單(dan)個(ge)GMTP微(wei)管(guan)與組裝GMTP微(wei)管(guan)的結構(gou)分(fen)析(xi)與性能評(ping)價。

④組裝GMTP管(guan)狀(zhuang)結構(gou)的形(xing)狀(zhuang)模擬(ni)與調控(kong)

為(wei)拓展(zhan)GO微管(guan)的應用(yong)潛力(li)，需賦(fu)予其(qi)結構(gou)靈(ling)活性。研究(jiu)發現，濕(shi)潤狀(zhuang)態(tai)下(xia)組裝的(de)GMTP可變(bian)形為(wei)多種(zhong)構(gou)型：通(tong)過金(jin)屬導絲(si)可實(shi)現彎曲(qu)或扭(niu)曲(qu)塑形，且(qie)內(nei)徑(jing)保(bao)持穩定(ding)（圖(tu)4a-b）。隨(sui)著(zhe)組裝模塊(kuai)數量(liang)增加，結構(gou)形態(tai)多樣性顯著(zhu)提(ti)升(sheng)——由三(san)個(ge)GMTP組裝的(de)微(wei)管(guan)僅能形成(cheng)線性環狀(zhuang)結構(gou)，而堆(dui)疊(die)超(chao)過十個(ge)模塊(kuai)則(ze)可實(shi)現彎曲(qu)或扭(niu)曲(qu)管(guan)狀(zhuang)構(gou)型。

單(dan)個(ge)GMTP的(de)曲(qu)率直接影(ying)響組裝微(wei)管(guan)的可彎(wan)曲(qu)程(cheng)度(du)。實(shi)驗結果(guo)表(biao)明(ming)，模塊(kuai)間(jian)耦合越(yue)強，曲(qu)率與長度越(yue)小(xiao)，更(geng)多模塊(kuai)組裝導致堆(dui)疊(die)更(geng)緊密；但模塊(kuai)重(zhong)疊面積(ji)存(cun)在極限(xian)，壹旦超(chao)過特(te)定組裝數量(liang)，長度與曲(qu)率增幅(fu)趨於(yu)穩定(ding)。通(tong)過建(jian)立數學(xue)模型表(biao)明(ming)GMTP數量(liang)與微管(guan)長度/彎曲(qu)度的關(guan)系，並構(gou)建(jian)波形(xing)最大(da)振(zhen)幅(fu)與波長的預(yu)測模型（圖(tu)4h-i）。對(dui)數模型精(jing)準(zhun)擬合(he)了長度、彎曲(qu)度與波形頻率(lv)數據(ju)，證明(ming)利用(yong)量(liang)產GMTP模塊(kuai)可設(she)計(ji)並(bing)制(zhi)備(bei)多(duo)樣化的(de)管(guan)狀(zhuang)結構(gou)。

圖(tu)4. 根據(ju)裝配(pei)GMTP模塊(kuai)的(de)數量(liang)，分(fen)析(xi)可實(shi)現的GMTP結構(gou)形式(shi)。

⑤生(sheng)物(wu)相容(rong)性應用(yong)驗證

GO因其表(biao)面電(dian)勢特性可強(qiang)力(li)吸(xi)附(fu)細(xi)胞外基(ji)質(zhi)（ECM）蛋(dan)白，顯著(zhu)促(cu)進(jin)細(xi)胞黏(nian)附(fu)，在細(xi)胞和組織圖(tu)案(an)化以(yi)及支架(jia)生成(cheng)方(fang)面展(zhan)現出良好前(qian)景(jing)。最近(jin)，GO已(yi)被用(yong)於(yu)與其他支撐材(cai)料構(gou)建(jian)三(san)維結構(gou)，以生(sheng)成(cheng)體(ti)外組織模擬(ni)模型。由GO組成(cheng)的GMTP保(bao)留(liu)了(le)這些(xie)優勢(shi)。

通(tong)過細(xi)胞與動物(wu)實驗評(ping)估GMTP的生(sheng)物(wu)相容(rong)用(yong)性：人(ren)臍靜(jing)脈內(nei)皮(pi)細(xi)胞（hUVECs）和平(ping)滑(hua)肌(ji)細(xi)胞（AoSMCs）在GMTP內(nei)表(biao)面緊密貼(tie)附，11天(tian)後匯(hui)合(he)度(du)達(da)100%，增(zeng)殖模式(shi)與傳統培(pei)養板(ban)相當(dang)；小(xiao)鼠(shu)皮(pi)下(xia)植(zhi)入(ru)7天(tian)後，組織學(xue)分(fen)析(xi)顯(xian)示無(wu)異(yi)常(chang)炎癥或纖(xian)維化(hua)，血清AST/ALT水(shui)平無(wu)變(bian)化(hua)；血液接觸(chu)實(shi)驗表(biao)明(ming)GMTP無促凝(ning)風(feng)險(xian)。CD31與肌(ji)動蛋(dan)白染色證實，單個(ge)GMTP內(nei)可構(gou)建(jian)內(nei)皮(pi)-平滑(hua)肌(ji)雙層(ceng)結構(gou)，500 μm的管(guan)徑(jing)與人(ren)體(ti)小(xiao)動(dong)脈匹(pi)配(pei)，凸顯(xian)其(qi)血管(guan)仿生潛力(li)。這些(xie)實驗都證實(shi)了(le)GMTP適用(yong)於(yu)微流(liu)控設(she)備(bei)。其(qi)機械(xie)適(shi)應性特性（包括收(shou)縮和恢(hui)復）以(yi)及數百(bai)微(wei)米直徑(jing)的管(guan)狀(zhuang)結構(gou)，表(biao)明(ming)了更廣泛(fan)的生(sheng)物(wu)應用(yong)前景(jing)。

圖(tu)5. hUVECs和AoSMCs在GMTP上(shang)的培(pei)養結果(guo)。

總(zong)結：本研究(jiu)研發了壹種(zhong)基(ji)於(yu)馬蘭(lan)戈(ge)尼對流(liu)和黏(nian)度(du)調控(kong)的氧化(hua)石墨烯（GO）三(san)維結構(gou)新(xin)型制(zhi)備(bei)技術(shu)。該技術通過調控(kong)制造參(can)數，實(shi)現(xian)了GO懸(xuan)浮(fu)液蒸(zheng)發過程(cheng)中(zhong)對(dui)流(liu)運(yun)動(dong)與薄膜(mo)形(xing)成(cheng)的精(jing)確(que)控(kong)制(zhi)。通過對(dui)關鍵參(can)數的(de)系統優化(hua)，研究(jiu)團(tuan)隊確(que)定(ding)了(le)錐(zhui)形微(wei)孔內(nei)GMTP模塊(kuai)形(xing)成(cheng)的最佳(jia)條(tiao)件(jian)。這壹突破(po)性發現可有(you)效(xiao)提(ti)升(sheng)現有GO基微(wei)管(guan)結構(gou)制備(bei)方(fang)法的(de)標準(zhun)化程(cheng)度(du)和生(sheng)產(chan)效(xiao)率。基(ji)於(yu)馬蘭(lan)戈(ge)尼效(xiao)應的(de)GMTP制造技術有望突(tu)破現有(you)GO基(ji)三(san)維結構(gou)的局(ju)限性，通過生(sheng)物(wu)材(cai)料應用(yong)為(wei)組織工程(cheng)和生(sheng)物(wu)芯片(pian)開(kai)發提(ti)供(gong)新(xin)的技(ji)術路(lu)徑(jing)。