上转换光刻含钌配合物高分子水凝胶制备三维微结构

本项目的研究工作围绕“上转换光刻含钌配合物高分子水凝胶制备三维微结构”开展。开展的工作包含了计划中的全部研究内容，包括：

（1）合成光响应的水凝胶等用于上转换光刻的材料

（2）搭建用于三维微结构刻写的激光直写装置

（3）利用合成的光响应材料和搭建的激光直写装置光刻三维微结构

（4）研究细胞在水凝胶三维微结构中的行为。

工作一：含钌配合物高分子水凝胶的制备

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 12736-12744.

在这项工作中我们合成了含有可聚合丙烯酰胺基团的钌配合物(Ru4)和含有丙烯酰胺基团的硒配体 (SeAAm)并加入羟乙基丙烯酰胺(HEA)与引发剂，利用我们发现的新动态键钌-硒(Ru-Se)键作为交联点构筑了聚合物凝胶网络，并利用其在光照下会断裂，在黑暗中会可逆形成的性质实现了光诱导凝胶-溶胶可逆转变。聚合物的凝胶-溶胶可逆转变可被用于重塑和修复高分子材料。

图1.光诱导可逆凝胶-溶胶转变的示意图和照片

工作二：上转化粒子在复合材料中的发光

Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2103908.

在这一工作中我们开发了一种由光响应偶氮苯聚合物 (PAzo) 和上转换纳米粒子 (UCNPs) 组成的新型纳米复合材料。由于UCNPs可以将近红外光转变为可见光。我们利用这一性质制备了不同的上转换发光图案 。含UCNPs纳米复合材料的溶液可以作为发光墨水压印出上转换发光的图案。由于顺式PAzo可以吸收上转换的蓝光，所以根据PAzo和UCNPs的协同作用，可以利用近红外光对偶氮苯顺反异构光致变色图案进行识别。根据PAzo的光致取向性质，我们在光掩模辅助的偏振蓝光照射下得到了复合材料的偏振图案，在近红外下如果在摄像头前加一个偏振片，通过旋转偏振片角度还可以识别出偏振相关的上转换发光图案。

图2. (a) 复合材料上转换发光示意图  (b) 复合材料压印图案的上转换发光照片 (c) 光致变色的上转换发光图案在近红外光下的照片(d) 近红外光识别偏振相关图案的示意图 (e) 偏振相关的上转换发光图案在近红外光下的照片

工作三：含钌配合物水凝胶的生物相容性及光刻通道中的细胞移动

专利见附件

在此工作中我们以红光响应的钌配合物作为交联剂与四臂-巯基-聚乙二醇利用迈克尔加成反应在温和的条件下即可形成水凝胶。我们使用钙黄绿素/碘化丙啶细胞活性与细胞毒性检测试剂盒检测其生物相容性，在激光共聚焦扫描显微镜488nm/561nm激光激发下观察细胞活性，活细胞被钙黄绿素染色发出绿色荧光， 死细胞被碘化丙啶染色发出红色荧光。如图3， 绿色荧光标记（左） 细胞数目远大于红色荧光标记（右） ， 表明水凝胶有较好的细胞相容性。

图3.包封细胞水凝胶染色后使用激光共聚焦扫描显微镜488nm/561nm激光激发下荧光图片

由于凝胶网络中钌配合物的光致配体交换反应可以破坏交联点，使得凝胶网络破坏凝胶降解。我们利用这一性质，使用铬基光掩模版，光透过图案化掩模版中无铬层区域即可在水凝胶上光刻得到相应图案。我们同时也观察了在光刻的通道中的细胞移动情况。取包封细胞的水凝胶，使用激光共聚焦扫描显微镜在光刻光波长下激光扫描刻蚀一片凝胶内含有细胞的区域 ，扫描刻蚀5min后，在488nm激光激发下观察刻蚀区域细胞的移动如图4。

图4.细胞在光刻通道中移动的激光共聚焦扫描显微镜488nm激光激发下的荧光图片