基于硅烷包覆纳米多孔结构的光滑表面光诱导图案化和接枝
2025年11月14日
该协议提出了一种光诱导方法，用于通过在硅烷涂层纳米多孔表面上进行顺序数字图案化和接枝来制造光滑的三维结构。这种方法能够在空间控制下形成光滑区域，实现图案化液体排斥性和界面滑度的定量分析，并应用于流体纵和表面工程。
我们的研究引入了基于DLP的技术，用于制造空间模式SLIPS，解决了实现选择性可用性控制的局限性问题。主要的实验挑战包括在复杂几何形状上制造套筒，现有方法耗时、多步骤，且缺乏高分辨率或选择性变异性。首先，将光固化聚氨酯丙烯酸酯树脂与PEG 200以50%的重量比混合。使用磁性搅拌器，以每分钟500转的速度搅拌混合物五分钟。
将混合溶液以固定液滴的形式滴入聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上。用含氟乙烯丙烯薄膜覆盖这些液滴。并使用辊压到盘子系统施加均匀压力，确保均匀扩散。
利用发光二极管紫外线固化系统，将聚氨酯丙烯酸酯树脂暴露于365纳米的紫外线下。聚合后，去除表面上的氟化乙烯丙烯薄膜。现在将固化样品浸泡在去离子水中一小时，提取无反应的PEG 200。
将样品放入70摄氏度的烤箱中干燥一小时，以去除残留水分并完成纳米多孔表面的制造。在185纳米和254纳米波长下进行紫外臭氧处理，引入羟基作为自组装单分子层形成的预处理。接着，将一个加热板放入充满氮气的手套箱中。
将一个干净的烧杯放在热板上，滴入一毫升OTS溶液，形成固定液滴。将PET胶片样本固定在玻片上。将玻片面朝下放在烧杯上，启动OTS的气相沉积。
将设备加热到120摄氏度40分钟。现在把标本从手套箱里取出来。用无绒布擦拭烧杯，去除残留的OTS。
对于光诱导嫁接，可以在OTS涂层表面进行185纳米和254纳米的紫外臭氧处理。现在通过固定液滴沉积法，每平方厘米施加20微升的10分硅油。用高强度紫外灯照射标本15分钟，灯泡置于表面以上15厘米处。
然后将样品倾斜30度，保持姿势五分钟，让多余的硅油从表面排出。要制造图案光滑结构，首先使用CAD软件设计所需形状，并导出为立体光刻文件。将文件加载到切片软件中，生成二维投影图像用于数字光处理。
把文件转移到三维打印机上。将聚合物涂层胶片放置在数字光处理打印机窗口上。将胶片暴露在365纳米紫外线下，采用每平方厘米180毫焦耳的数字投影图，选择性固化树脂。
将暴露的样品浸泡在去离子水中一小时以提取PEG 200。然后将样品在70摄氏度下干燥一小时，去除残留水分，完成纳米多孔结构。进行OTS处理和光诱接接，完成图案光滑表面的制造。
通过聚合诱导相分离制备的纳米多孔表面，具有60至100纳米的主导孔径分布。在多孔表面测量到的静态水接触角为84.4度。硅化后，表面变得疏水，但第二次紫外臭氧处理暂时减少了接触角。
PDMS刷层的形成逆转了这种减少，恢复了疏水性。通过接触角、滑动角、滑动速度和接触角滞后测量，验证了四种代表性液体：去离子水、辛烷值、蜂蜜和人工人体唾液的滑溜行为。PEG打印的线宽测量显示，PUA树脂在最小50微米特征尺寸下表现出高保真度，宽度越大偏差越大。
利用数字光处理制作出带有图形和字母设计的图案纳米多孔表面，包括迷宫、齿轮和JoVE标志。经过所有表面处理和硅油浸泡后，图案因折射率对比度降低而变得光学透明。透射率测量显示，经过处理的多孔表面透明度超过90%。
当喷用含水墨水时，液滴选择性迁移到未经处理的亲水区，避开滑溜的区域，形成明确的液态形状。我们发现，当我们用UVU嫁接制作纳米多孔表面时，它们变得非常滑。接触角滞后非常小，因此我们可以在表面形成选择性的液滴图案。
我们的方法采用DLP 3D打印，能够在高分辨率的单步更快速内完成表面图案。它也适用于柔性基底。与典型的多步骤流程相比，它非常简单且迅速。
因为我们可以控制表面的湿滑性，可以引导水滴的移动和停留。这有助于未来在定向液滴传输、微流控装置、自清洁涂层甚至水收集表面等方面的研究。
概述
该协议介绍了一种基于数字光处理（DLP）的技术，用于通过光诱导接枝在硅烷涂层纳米多孔表面上制造光滑的三维结构。该方法允许对液体排斥性进行空间控制，并定量分析界面的滑动性，对流体操纵和表面工程有重要意义。
关键研究组成部分
科学领域
- 表面工程
- 流体操纵
- 纳米技术
背景
- 现有的制造光滑表面的方法通常耗时且缺乏高分辨率。
- 挑战包括在复杂几何形状上实现选择性可变性。
- 需要高效的技术来控制表面的润湿性。
- 本研究使用数字光处理（DLP）来解决这些限制。
研究目的
- 开发一种更快、高分辨率的制造光滑表面的方法。
- 在图案化表面上实现对液体排斥性的选择性控制。
- 验证制造的表面上各种液体的光滑行为。
使用的方法
- 将光固化的聚氨酯丙烯酸酯树脂与PEG 200混合。
- 使用DLP打印机在树脂上创建空间图案。
- 使用紫外线进行固化和接枝过程。
- 进行表面处理以增强疏水性和光滑性。
主要结果
- 制造的表面孔径分布主要在60到100纳米。
- 静态水接触角测量为84.4度，表明疏水性。
- 经过处理后，图案变得光学透明，透光率超过90%。
- 表面上展示了选择性液滴运动，便于控制液体形状。
结论
- 基于DLP的方法提供了一种简单高效的方法来创建图案化的光滑表面。
- 对润湿性的控制可以推动微流体装置和自清洁涂层的进展。
- 该技术可以显著增强流体管理和表面工程的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-resolution, light-induced patterning of slippery, silane-coated nanoporous surfaces enables precise spatial control of wettability for advanced fluid handling in biopharma R&D. This capability supports the development of microfluidic devices and droplet-based assays where selective liquid guidance and minimal sample loss are critical. The method's scalability and compatibility with flexible substrates position it as a reusable platform for next-generation biomedical device prototyping and translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables fabrication of spatially defined microenvironments for controlled droplet manipulation in assay development.
- Supports mechanistic de-risking by allowing selective liquid patterning for functional screening.
- Facilitates predictive confidence in surface-driven biological assays through quantitative wettability control.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible surfaces for high-throughput droplet transport and microfluidic workflows.
- Delivers quantitative outputs via contact angle and hysteresis measurements for assay validation.
- Enables rapid prototyping and scalability for screening platforms requiring precise liquid handling.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant system development by supporting biomimetic fluid interfaces in device models.
- Maintains translational continuity from discovery to preclinical device validation through robust surface engineering.
- Reduces risk in advancing microfluidic and biomedical device concepts by ensuring reproducible liquid guidance.
Pipeline & Workflow Integration
This light-induced patterning method integrates from early discovery through assay development to translational device prototyping, supporting iterative design and validation cycles in biopharma R&D.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of fluidic behaviors and surface interactions in controlled microenvironments.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible surfaces for quantitative droplet manipulation and transport studies.
- Analytics: Supports measurement of contact angle, sliding angle, and hysteresis for comparative analysis of surface performance.
- Translational Research: Facilitates preclinical device prototyping with scalable, flexible, and optically transparent surfaces.
- Enterprise Reuse: Offers a platform technology adaptable across multiple device and assay formats.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in fluidic assay development.
- Operational Value: Delivers rapid, standardized, and scalable surface fabrication for R&D teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for device and assay concepts by enabling robust, quantitative surface performance data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of microfluidic and biomedical device projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in digital light processing, surface chemistry, and quantitative wettability analysis.
- Needs access to DLP projection systems, UV curing equipment, and analytical tools for contact angle measurement.
- Demands cross-team standardization of pattern design and surface treatment protocols.
- Adaptable to various flexible and rigid substrates, but pattern fidelity may vary with feature size.
- Practical limitations include minimum feature size constraints and the need for precise control of surface treatments.
