功能表面用印迹纳米纤维聚合的多尺度结构
2018年9月11日
本文介绍了一种利用阳极氧化铝过滤器制备纳米微尺度结构的简易方法--功能表面。
这种方法可以帮助回答工程师到表面场中的关键问题，以了解管状形态和润湿性的功能表面。我们方法的主要优点是，它只需使用带有阳极氧化铝过滤器和纳米纤维自聚集的压印工艺，就可以更快地制造多尺度纳米微结构。印记后，复制的表面图案最初表现出超亲水性。
我们可以通过使用 UV 原点处理和自组装的单层涂层来改变压印结构的表面可用性。获得孔径为 200 纳米、高度为 60 微米、直径为 25 毫升的阳极氧化铝或 AAO 过滤器。用聚对苯二甲酸乙二醇酯或 PET 薄膜清洁表面，用 99.8% 的丙酮清洁 5 分钟，然后用 99.9% 的丙酮清洁。
异丙醇 5 分钟。使用气枪将胶片完全干燥 3 分钟。接下来，将 PET 薄膜放在没有污染物的平坦表面上。
在表面加入一滴粘度为 257.4 CPS 的 0.1 毫升 UV 固化聚氨酯丙烯酸酯型树脂。将 AAO 过滤器放在树脂上，并使用直径为 32 毫米的橡胶辊均匀按压。目测确认树脂的扩散。
压制时必须重复并小心推动滚筒。AAO 过滤器很脆，如果用力过大可能会破裂。滚压后，将使用 PET 和 AAO 滤光片制成的样品暴露在波长为 365 纳米的紫外光下 30 秒，以固化树脂。
然后，将固化后的样品浸入 100 毫升 2 摩尔氢氧化钠溶液中 10 分钟以溶解过滤器。SEM 图像显示了结构的表面和横截面。用去离子水清洁标本。
然后，用气枪将其完全干燥三分钟。使用能量色散 X 射线分析确认钠和铝未被检测到并且完全蚀刻。要进行紫外线臭氧处理，首先使用异丙醇清洁具有纳米微米多尺度结构的样品 5 分钟，然后用去离子水清洁 5 分钟。
用气枪将清洗过的标本干燥 3 分钟。使用强度为每平方厘米 25 毫瓦的紫外线臭氧设备，用紫外线照射样品 60 分钟。对于 OTS 自组装，将高温处放在手套箱内，并为气相沉积过程保持氮气环境。
出于拍摄目的，我们将在手套箱外模拟演示该过程。将烧杯放在热板上，用移液管向烧杯中加入两毫升 OTS 溶液。盖上烧杯，盖上玻璃或板面，使样品朝下进入烧杯。
在 100 摄氏度下处理 60 分钟，然后从手套箱中取出标本。为了通过注入润滑剂来制造功能表面，将每平方厘米约 0.2 毫升的全氟化碳液体沉积在 OTS 涂层的自聚集纳米纤维组件上。使用光学显微镜以 5 到 20 倍的放大倍率观察全氟化碳的润湿过程。
最后，将样品垂直放置数小时，去除多余的全氟化碳液体。这里显示了通过压印过程和蒸发衍生的自聚集获得的多尺度纳米微米混合结构。由于制造表面的超亲水性，很难测量接触角。
有趣的是，经过足够的时间紫外线臭氧处理后，表面形貌和表面润湿性由超亲水性变为疏水性，接触角为 126.8 度。此外，通过对自组装单层进行额外涂层，可以将接触角增加到 133.6 度。该技术发展后，为工程表面领域的研究人员探索自组装现象和适当表面处理的表面功能和形貌变化铺平了道路。
虽然这种方法可以深入了解表面形态和润湿性的修饰，但由于其更大规模的多孔结构，它也可以应用于其他应用，例如通过手术刀、环境过滤器、催化剂干扰物或扩散光学
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概述
本文介绍了一种制造纳米-微米多尺度结构的方法，旨在创建功能性表面。该技术利用阳极氧化铝滤膜聚集纳米纤维，从而加速这些结构的生产。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 表面工程
- 纳米技术
背景
- 理解功能性表面对于各种工程应用至关重要。
- 先前创建多尺度结构的方法通常耗时较长。
- 超亲水性是许多功能性表面的理想特性。
- 纳米纤维的自聚集可以增强表面性能。
研究目的
- 开发一种更快速的制造多尺度纳米微结构的方法。
- 探索表面处理对润湿性的影响。
- 利用阳极氧化铝滤膜高效复制结构。
使用的方法
- 使用阳极氧化铝滤膜的印刷过程。
- 纳米纤维的自聚集形成结构。
- 紫外源和自组装单层涂层的表面处理。
- 使用聚对苯二甲酸乙二醇酯和丙酮清洁。
主要结果
- 印刷后的表面展示出超亲水性。
- 通过紫外处理可以改变表面可用性。
- 该方法允许快速生产复杂的表面图案。
- 使用特定尺寸的AAO滤膜可以增强该过程。
结论
- 该方法显著减少了功能性表面的制造时间。
- 表面处理可以有效改变结构的性能。
- 该方法在各种工程领域有潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Rapid fabrication of multiscale micro-nano structures enables the creation of functional surfaces with tunable wettability, supporting advanced material interfaces in biopharma R&D. This approach streamlines the development of engineered surfaces for device prototyping, filtration, and tissue interface applications. The method's scalability and adaptability position it as a reusable capability for innovation across discovery and translational workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates the creation of biomimetic surfaces for hypothesis-driven studies on cell-material interactions.
- Enables rapid prototyping of micro-nano topographies to de-risk surface-driven biological responses.
- Supports predictive confidence in material selection for device and assay development.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible surfaces for quantitative assessment of wettability and morphology.
- Enables scalable preparation of functionalized substrates for high-throughput screening platforms.
- Supports reliable evaluation of compound or cell responses to engineered surface features.
Translational & Preclinical Research
- Offers tunable surface properties for alignment with disease-relevant tissue models or filtration systems.
- Ensures continuity from discovery-stage material evaluation to preclinical device prototyping.
- Reduces risk in advancing surface-engineered materials toward translational endpoints.
Pipeline & Workflow Integration
This fabrication protocol integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling rapid, reproducible generation of functional surfaces for iterative testing and optimization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on surface-driven biological phenomena and material de-risking.
- Screening: Delivers assay-ready substrates with controlled wettability and morphology for reproducible outputs.
- Analytics: Provides quantitative readouts of contact angle and surface morphology for comparative analysis.
- Translational Research: Aligns engineered surfaces with preclinical model requirements and biomarker studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, cost-effective platform for repeated surface engineering across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces ambiguity in surface-material interactions.
- Operational Value: Enables standardized, high-throughput fabrication with reproducible outcomes.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for material and device development, optimizing resource allocation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of surface-engineered assets across R&D pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in surface engineering and nanofabrication techniques.
- Needs access to UV curing, AAO filters, and analytical instrumentation for surface characterization.
- Demands cross-team standardization for reproducibility and scalability.
- Adaptable to various substrate materials and model systems as supported by protocol.
- Limitations include handling of brittle AAO filters and precise control of surface treatments.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Fabrication of Nano-Micro Multiscale Structure Surface Using an AAO Filter
2:58
Surface Treatments and Fabrication of Functional Surface by Injecting Lubricants
4:40
Results: The Change of the Surface Wettability and Morphology by Surface Treatment
5:29
Conclusion
