（材料学专业论文）材料表面图案化及蛋白质的选择性吸附.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 生物分子在材料表面上的吸附对许多实际应用如表面生物诊断、生物传感 器和生物医学器件等都是十分重要的。材料表面的化学结构、亲疏水性及拓扑 结构等对蛋白质的吸附及细胞的黏附和生长具有非常重要的影响。在目前的生 命科学领域中，利用表面微图案化来获取材料与生物分子( 蛋白质) 以及周围 环境间相互作用信息从而研究和评价材料的生物相容性或进行生物分子的检测 成为一个十分活跃的研究热点。 目前使材料表面图案化并具有吸附或排斥生物分子功能的途径有很多，诸 如微接触印刷、毛细微模塑、电子束刻蚀等，但是这些技术都存在自身的不足 之处，如过程的控制、选材的特殊要求、保真度、可重复性等。真空紫外光( v a c u u m u l t r a v i o l e t ，) 刻蚀技术具有成本低、重复性好、高保真的加工特点，不仅可 以实现对聚合物材料表面性质的微调控，还可以一次大面积地进行拓扑结构的 微加工。虽然在材料表面图案化及微电子线路制作方面有一些成功的报道， 但采用v u v 光刻技术调控材料表面性质和微结构并以此来控制生物分子吸附的 的选择性，构筑亚微米级的生物微图案成功报道较少。本文即采用了真空紫外 光刻蚀技术以及借助自组装单分子膜的方法对相关聚合物材料表面性质和结构 进行微调控，以控制生物分子的选择性吸附，在构筑亚微米级生物图案方面进 行了一些探索。主要的研究结果如下： ( 1 ) 利用波长为1 7 2n m 真空紫外光处理改性聚对苯二甲酸乙二醇酯 ( p o l y t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ，p e t ) 材料表面，采用自组装单分子膜的方法在p e t 表面自组装十八烷基三甲氧基硅烷单分子膜。采用傅立叶红外以及静态水接触 角测试对反应前后的p i t 表面进行了一系列表征，证实了自组装单分子膜的成 功，同时也表明采用该方法可以对基材进行表面改性。 ( 2 ) 选用两种较常用的生物医用材料：聚二甲基硅氧烷( p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ， p d m s ) 和聚甲基丙烯酸甲酯( p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ，p m m a ) ，采用真空紫外 光( v u v ) 刻蚀的方法对其进行表面图案化。扫描电子显微镜、原子力显微镜 测试对表面拓扑结构的表征结果显示刻蚀技术可对上述两种材料表面进 行图案化的微加工，并且构筑了一系列微纳米结构的微通道。x 射线光电子能谱 ( x p s ) 对光照处理过的材料表面化学成分分析表明真空紫外光照前后表面区域 的化学组成发生了变化，而且静态水接触角的检测结果进一步证实表面化学组 武汉理工大学硕士学位论文 成的变化导致了其表面性质的改变：经吖处理的材料表面的亲水性得到了显 著的提高。 ( 3 ) 对图案化以及官能化的p m m a 表面进行了荧光蛋白质的吸附试验。共聚 焦显微分析的结果表明，经处理的p m m a 材料图案化表面对蛋白质的吸附具有 选择性，可以构筑亚微米级的蛋白质图案。 关键词：图案化，真空紫外光刻，蛋白质吸附，自组装单分子膜 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea d s o r p t i o no fb i o l o g i c a lm o l e c u l e so nt h em a t e r i a ls u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n t f o rm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha sb i o d i a g n o s t i c s ，b i o s e n s o r s ，a n db i o m e d i c a l d e v i c e sa n ds oo n m a t e r i a ls u r f a c es t r u c t u r e ，h y d r o p h i l i c i t ya n dt o p o g r a p h yh a v e g r e a te f f e c t so np r o t e i na d s o r p t i o n , c e l la d h e s i o na n dg r o w t h i nt h ec u r r e n tl i f e s c i e n c e s ，i no r d e rt os t u d ya n de v a l u a t eb i o c o m p a t i b i l i t yo fm a t e r i a l so rd e t e c t b i o l o g i c a lm o l e c u l e s ， i tc a l lb eo b t a i n e dt h ei n t e r a c t i o ni n f o r m a t i o nb e t w e e nt h e m a t e r i a l sa n db i o l o g i c a lm o l e c u l e s ( p r o t e i n ) ，a sw e l la st h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t b ys u r f a c em i c r o - p a t t e r n i n g , w h i c hh a sb e c o m e av e r ya t t r a c t i v er e s e a r c hf o c u s a t p r e s e n t ，t h e r e a r e m a n yt e c h n o l o g i e s s u c ha sm i c r o - c o n t a c tp r i n t i n g , m i c r o f l u i d i c sa n de l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h yc a nm i c r o - p a t t e r n i n gt h es u r f a c ea n d f u n c t i o n a l i z e dm a t e r i a ls u r f a c ew h i c hc a na d s o r bo rr e j e c tb i o l o g i c a lm o l e c u l e s b u t m a n yo ft h e mh a v et h e i ro w l ls h o r t a g e s ，s u c ha st h ep r o c e s so fc o n t r o l ，s e l e c t i o no f t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，f i d e l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y v a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h t ( v u v ) l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yw i t hl o wc o s t ，g o o dr e p r o d u c i b i l i t y , h i g h - f i d e l i t yp r o c e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c sc a nb e a c h i e v e dm i c r o r e g u l a t i o np r o p e r t i e so fp o l y m e rm a t e r i a l s u r f a c e ，a n da l s oc a r r i e do u tal a r g e - s c a l et o p o g r a p h ym i c r o - f a b r i c a t i o n t h e r ea r e f e w 跚c c e s sr e p o r t si nc o n t r o lo fb i o l o g i c a lm o l e c u l es e l e c t i v ea d s o r p t i o n ，a n dt h e f a b r i c a t i o no fs u b m i c r o nb i o l o g i c a lp a r e m sb yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h y , a l t h o u g ht h e r ea r es o m es u c c e s s f u ls t u d i e so np a t t e r n i n go fm a t e r i a ls u r f a c ea n d f a b r i c a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i cc i r c u i tb yv u v l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , i no r d e rt or e g u l a t et h ep r o p e r t i e sa n dt o p o g r a p h i e so fr e l a t e dm a t e r i a ls u r f a c ea n d c o n t r o lt h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fb i o l o g i c a lm o l e c u l e ，a sw e l la sf a b r i c a t e s u b - m i c r o nb i o l o g i c a lm o l e c u l ep a a e m sb yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h ya n d s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s p r i m a r yf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p o l y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ( p e t ) s u r f a c ew a sm o d i f i e db yv a c u u m u l t r a v i o l e t l i g h ti naw a v e l e n g t ho f1 7 2n l l l ，a n do c t a d e c y l t r i m e t h o x y s i l a n ew a ss e l f - a s s e m b l e d o nv u vt r e a t e d s u r f a c e t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h ep e ts u r f a c ew e r e c h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da n ds t a t i cw a t e rc o n t a c ta n g l et e s t , t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es u c c e s so fs e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e ra n dt h em o d i f i c a t i o no f h i 武汉理工大学硕士学位论文 s u r f a c ep r o p e r t i e s ( 2 ) s u b m i c r o n p a t t e r n s o nt w oc o m m o n l yb i o m e d i c a l m a t e r i a l ( p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) a n dp o l y m c t h y lm e t h a c r y l a t e ( p m m a ) ) s u r f a c e , sw e r e f a b r i c a t e db yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h y t h et o p o g r a p h i e so ft h ep a t t e m e , d s u r f a c ew e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y)a n d s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tc a nf a b r i c a t e m i c r o - p a t t e r na n dm i c r o e h a n n e l so ns u r f a c eb yv u vl i t h o g r a p h y t h er e s u l to fx - r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( s ) o fi r r a d i a t e ds u r f a c es u g g e s t e dt h a tt h e r e a r c c h e m i c a lc o m p o s i t i o nc h a n g e si nr a d i a t e dr e g i o n t h ed a t ao fs t a t i cw a t e rc o n t a c t a n g l es u g g e s t e dt h a tt h ec h a n g e so fs u r f a c ep r o p e r t i e sr e s u l ti nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n c h a n g e s ，t h e r ew c r ce v i d e n c es h o w e dt h a tt h eh y d r o p h i l i c i t yo fv u v t r e a t e d s u r f a c e w a si m p r o v e d ( 3 ) s e l e c t i v ea d s o r p t i o no ff l u o r e s c e n c ep r o t e i no np m m a p a t t e r ns u r f a c ew a s a n a l y z e db yc o n f o c a lm i c r o s c o p ya n a l y s i s i ts h o w e dt h a tt h et r e a t e dp m m ap a t t e r n s u r f a c eh a st h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fp r o t e i n ，t h e r e f o r e ，as u b - m i c r o np r o t e i n p a t t e r n sc a n b ef a b r i c a t e db y l i t h o g r a p h y k e yw o r d s ：p a t t e r n e d ；v a c u u m u l t r a v i o l e t l i g h t a d s o r p t i o n ；s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r 独创性声明 本人声明，所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成聚，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的丽志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：曼垒蛰h 期：兰至墨堡 学位论文使用授权书 本入党全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向困家有关郝门或机构送交论文的复印件和电子版，允 匀：论文拔查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可吼将本学位论文的全部内容编入有关数据痒 进行捡索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或i 1 ：编本学位论文。网时 授权经武汉理= l 二大学认可的豳家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：燃譬师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 微米和纳米尺度上表面结构和性质的微加工( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 或图案化 ( p a t t e r n i n g ) 已经逐渐成为当代科学和技术发展的中心。许多现代技术发展的 机会都来源于新型微观结构的构造或现有结构的微型化。例如化学和生物微分 析、生物芯片、微体积反应器、组合合成、微光学元件、微机电系统和微流道 系统等l j 叫。许多情况下，尺寸的减小可以提高器件的性能，如在生物传感器领 域里，由于传感器结构的微型化导致其灵敏度提高，检出限量大大降低；在生 物学领域里，微结构区域里固定生物分子( 如蛋白质或d n a 分子) 数的减少甚 至达到单个分子，为拓宽对各种生物界面特殊识别性能的理解提供一个非常有 效的手段，因此，亚微米级生物分子图案化成为当今一个非常活跃的研究热点。 生物分子在材料表面上的吸附对许多实际应用如表面生物诊断、生物传感 器和生物医学器件等都是十分重要的。材料表面的化学结构、亲疏水性及拓扑 结构等对蛋白质的吸附及细胞的黏附和生长具有非常重要的影响。在目前的生 命科学领域中，利用表面改性和微图案化来获取它们与生物分子以及周围环境 间相互作用信息，其实用目的之一是实现对医学、工业与环境中具有重要意义 的各种分子的检测。另外，微图案化的培养基底上特定区域可能被用来启动蛋 白质吸附和细胞贴附，而另外的区域则起到抗蛋白和抑制细胞贴附的作用，在 某种水平上实现人们组织并控制细胞在表面上的生长等行为的愿望1 5 一。 为了使研究的生物分子及其相互作用的过程、结果能更好地为人们所解析， 希望这些生物分子在特定的基底上能有明确的定位并按照人们预定的方式呈现 其复杂的过程或结果，为此，需要许多表面改性处理与图案构筑等微加工工艺。 目前许多表面改性手段都是基于物理的旋涂或涂覆等【7 9 1 。而图案的微加工手 段也是各异的，而如何能采用一种方法既能改变材料表面性质又同时能使表面 拓扑结构得到加工，即人为可控的使材料表面特定区域具有特异性将是研究的 热点。 1 1 材料表面官能化 在现代技术中，利用各种表面改性手段，可以提高材料结合力、润滑性、 生物相容性，在保护膜、非线性光学元件、生物传感器等方面有广泛的应用前 武汉理工大学硕士学位论文 景。在多数情况下，研究者在材料表面特定的区域引入特定的化学基团、生物 分子，赋予各个区域各自独特的功能，使得该材料表面具有多重功能。例如在 目标基材表面旋涂聚合物薄膜的方法，常用于材料表面的化学改性。聚合物薄 膜的制备至今为止，大多是基于物理吸附，如旋涂、l b 膜技术等，聚合物与基 材表面靠微弱的范德华力或氢键连接，存在附着力低，稳定性差，薄膜厚度不 能精确控制，不易进行微纳米结构图案化等缺点1 1 0 l 。解决上述问题的理想的方 法则是利用分子自组装技术，例如，化学吸附自组装薄膜技术、静电吸附自组 装薄膜技术、电化学催化聚合方法等。 1 1 1 分子自组装 分子自组装指分子在氢键、静电、疏水亲脂作用、范德华力等弱力作用下， 自发地构筑具有特殊结构和形状的集合体的过程【1 0 l 。大分子自组装形成的高分 子超分子( 结构) 体系开辟了材料化学的一个新领域，液晶、胶束、二维薄膜、三 维骨架等都可通过自组装合成制备，在分子构造，光、电、磁信息转换及处理 器件等方面有广泛的应用潜能。在自组装过程中，基于非共价结合的微单元自 发组织并聚集成稳定有序的结构。最终的结构是达到平衡状态而具有最低自由 能。因为最终自组装结构是要接近或达到热力学平衡，趋于避免缺蝌7 l 。自组装 在生物学系统中是细胞及其成分形成的途径。蛋白质、细胞等生物分子结构都 是非常的复杂和微小，它们的形成在生物系统中揭示了自组装可以为形成特定 图案的微纳米结构提供途径。 1 1 2 自组装单分子膜 自组装单分子膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，s a m s ) 是近2 0 年来发展起来 的一种新型的有机超薄膜，其制备技术及表征方法已得到很大发展。1 9 4 6 年 z i s m a n 等就报道了表面活性物质在洁净金属表面上吸附而形成单分子膜的现 象，但此项工作真正兴起始于上世纪8 0 年代。1 9 8 0 年s a g i v 报道了十八烷基三 氯硅烷在硅片上形成的s a m s ，1 9 8 3 年n u z z o 等成功地制备了烷基硫化物在金 表面的s a m s 。从此几种制备s a m s 的体系逐渐成熟和发展起来。自组装单分子 膜具有更高的有序性和取向性、高密堆积、低缺陷和结构稳定性等优点1 1 1 1 2 1 ， 已在减小摩擦和抗磨损等方面得到应用。此外，自组装技术在制备多层复合膜、 2 武汉理工大学硕士学位论文 大分子物质、纳米颗粒及超晶格等方面也进行了广泛的应用 1 3 】。酶、蛋白质、 d n a 等生物分子自组装体系不仅保持了生物分子独特的生物功能，同时又为 信息、电子科学的发展提供了微型化、智能化的材料。随着生物技术的进一步 发展和材料性能的进一步提高，生物大分子自组装体系将得到更深入的研究和 更广泛的运用。 自组装单分子膜是指固体表面吸附活性物质而形成的有序分子膜，基本的 原理是利用固液或固气界面间的化学吸附或化学反应，分子自发吸附在固液， 气界面形成热力学稳定、紧密捧列、二维有序的单层膜。从结构上可以分为三 部分i “i ，如图1 - 1 ：一是分子的头基，它与基材表面反应点以共价键、离子键等 结合。反应放热，活性分子尽可能的占据基底表面的特殊位置上，有将吸附分 子推向紧密堆积的趋势。二是烷基链或衍生基团，分子链之间靠范德华力作用， 使活性分子在表面有序且紧密的排列。三是分子末端基团，如一s h 、o h 、c o o n 、 c h = c h 等，选择不同的末端基团，将获得不同物理化学性能的界面或借助其 反应活性构筑多层膜。 由于自组装单分子膜制各方法简单、成膜效果好。稳定性强、膜层厚度及 性质可通过改变成膜分子链长和端基活性基团灵活控制，因此成为组成超分子 体系和分子器件的有效手段，在制膜技术、传感技术、微电子技术等领域都有 着广阔的发展前景【1 ”。此外，高度有序、均匀、可灵活设计不同官能团的单分 子膜提供了固定生物分子的微环境，对生物传感器的发展及实用也具有重要意 义。分子自组装的技术方法有很多，主要有l - b 膜技术、旋涂、接枝成膜法、 物理吸附的分子沉积法以及化学吸附的自组装等。 烷基链或 衍生基团 黝飘，囝一化纠洲 “”“”。_ 垆_ 图1 - 1 自组装单分子膜结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 1l - b 膜技术 1 9 1 9 年，l a n g m u i r 与b l o d g e t t 一起通过实验证明，漂浮在水面上的长链脂 肪酸一类物质可以通过简单的浸渍方法转移到固体基片表面形成单分子膜。由 于是l a n g m u i r 和b l o d g e t t 二人合作发明了通过转移单分子层制备单层膜与多层 膜的方法，因此这种方法被称为l - b 法，利用这种方法所制备的薄膜被称为l - b 膜【1 1 】。l - b 膜的研究对分子电子学、分子生物学、膜模拟化学等学科的发展是有 意义的，但在实际应用方面存在一些问题。l - b 膜技术的缺点表现在，需要专用 设备，在成膜过程中操作必须极为精细，要避免缺损及折皱；薄膜的结合力( 主 要是范德华力) 或氢键体系的稳定性不高，经过一段时间后，分子的取向与排 列可能发生变化；另外对基片的形状也有相当严格的限制，同时很难制备大面 积的样品【5 】。因此，要以低成本制备无缺陷的、性能稳定的l - b 膜，并使其尺寸 能够满足制造器件的要求是相当困难的。 1 1 2 2 物理吸附的分子沉积法 将表面带正电荷的基片浸入阴离子聚电解质溶液中，因静电吸引，阴离子 聚电解质吸附到基片表面使基片表面带负电，然后将表面带负电荷的基片再浸 入阳离子聚电解质溶液中，如此重复就可以得到多层聚电解质自组装膜。这样 可制取有机分子与其它组分的多层复合超薄膜。 1 1 2 3 化学吸附的自组装 由于化学吸附的自组装单分子膜与材料表面是靠化学键合而吸附的，因此该 方法主要用于以图形化自组装膜为模板的纳米结构制备技术。将其结合光辐射、 微接触印刷、等离子体刻蚀等方法获得了广泛应用。例如t a t o nks 和g u i r e e e 【1 4 】将水溶液里包含光敏二苯甲酮疏水嵌段和低分子量聚环氧乙烷亲水嵌段 的二嵌段共聚物用紫外光照射后，共聚物自发地以共价键吸附到疏水表面上， 自组装成为可以减少细菌粘附的s a m s 。这种自组装单分子膜由于是化学吸附， 具有更高的有序性和取向性、高密堆积、低缺陷和结构稳定性等优点。 材料表面官能化是化学吸附制作s a m s 的前提条件。波长为1 7 2n m 的真空 紫外光具有较高能量，足以使材料表面产生活性反应点，从而可以自组装单分 4 武汉理工大学硕士学位论文 子膜。为了研究材料表面与生物分子之间的作用，就要对材料表面的性质进行 微观调控，而微观调控的前提就需要进行材料表面的微图案化。 1 2 材料表面亚微米级图案化 表面图案化是指在至少一维的方向上生成微米或纳米级的规则表面结构。 它在超分子科学、材料科学，微电子学及细胞生物学等方面均有重要的科学意 义和应用价值【5 1 。表面图案化主要用于表面物理性质的调控。微观尺度的表面结 构可以用来控制黏附、摩擦及浸润等材料表面性质，该性质与分子间相互作用 和表面拓扑结构密切相关【1 5 】。选择性吸附和表面特异性识别更是要求控制表面 的各向异性性质。在微电子领域，人们已经开始探讨图案化表面材料用作高密 度磁性存储介质的可能性。量子点阵激光、量子级联激光和单电子二极管的出 现也从根本上改变了传统器件的基本概念。在细胞生物学方面，表面图案化可 用来控制附着细胞的空间分布，发展新型快速的诊断方法及构造神经网络。表 面图案化在纳米反应器、微型阵列器件、组合化学与药物筛选等方面的潜在应 用也是巨大并可预见的【5 j 。 在目前的生命科学领域中，利用表面微图案化来获取材料与生物分子( 蛋 白质) 以及周围环境间相互作用信息从而研究和评价材料的生物相容性或进行 生物分子的检测是具有重要意义的。表面图案化可用多种技术得以实现，近年 来各种物理、化学、生物的新表面图案化技术不断涌现，目前已经有很多材料 表面微加工的方法，如软刻蚀以及光刻蚀等1 7 9 】都能使材料表面图案化，但是要 使图案化的材料表面具有良好的生物相容性，特别是润湿性，往往需要进行第 二次表面改性处理。 1 2 1 软刻蚀 随着半导体集成工艺最小线宽向1 0 0n l l l 以下的尺度延伸，由于受到光学衍 射和制作透镜或支撑光刻模板材料透明度的限制【1 6 j ，科学家们开始积极寻找操 作简便且又可以精确复制由昂贵设备生产的微图案的技术。由哈佛大学 w h i t e s i d c s 教授研究小组集体研发出的软刻蚀技术为形成和制作微米、纳米图案 提供了简便、有效、价廉的途径。它是一类基于自组装和复制模塑等原理的非 光刻微纳米加工方法，用一个表面带有凹凸图案的弹性模板作为图案转移中介， 5 武汉理工大学硕士学位论文 其加工分辨率可达到几十纳米。与传统光刻技术相比，它不需要昂贵的大型设 备，不仅能够实现二维图形的复制还可以进行曲面刻蚀，制作三维结构；还能 方便地控制微接触印刷表面的化学物理性质【r 丌，适应于多种材料、大面积、批 量生产。软刻蚀因其低成本，高效，操作简易而倍受人们的关注。 目前，软刻蚀已发展成为包括微接触印届t ( m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g , j u c p ) 、复制 模塑( r e p l i c am o l d i n g ，g e m ) 、微转移模型( m i c r o t r a n s f e rm o l d i n g , 姗哪、毛细 微模塑( m i c r o m o l d i n gi nc a p i l l a r i e s ，m i m i c ) 、溶剂辅助微模塑( s o l v e n t a s s i s t e d m i c r o m o l d i n g , s a m i m ) 等在内的表面图案化的常用技术手段【1 7 j 。 1 2 1 1 微接触印刷【1 6 1 微接触印刷运用自组装( 特别是自组装单分子层) 形成各种材料的微图案或 微结构。通过光学或电子束光刻得到模板。压模材料的化学前体在模板中固化， 聚合成型后从模板中脱离，便得到了进行微接触印刷所要求的压模，常用材料 是p d m s 。接着通过浸有硫醇等的软模板( 如p d m s 模板) 与基板接触，在基板 上形成自组装单分子膜，从而把p d m s 上的图案传递给基板詹它是一种形成高质 量微结构的新的低成本方法，可以直接应用于制作大面积、简单图案。但在亚 微米尺度，印刷时硫醇分子的扩散将影响对比度，并使印出的图形变宽。 1 2 1 2 复制模塑【9 】 将预聚物浇铸在p d m s 模板上，交联固化后，聚合物表面上就形成了与p d m s 模板互补但与源模板相似的图案。软模板复制模塑可用于纳米加工，用它可以 制作高聚物如聚氨酯p u 等的图案。加热或紫外光固化的聚合物，只要不含溶剂， 交联时收缩率小于3 ，都可采用此方法进行表面图案化。其过程是由范德华 相互作用、润湿和填充模板动力学等因素决定的。简单易行和价格低廉的特点 使得复制模塑在纳米加工中有着潜在的应用前景。 1 2 1 3 微转移模型1 1 9 1 可用于产生分立的和连接的微结构。把一薄层预聚物置于p d m s 模板上，多 余的液体利用n 2 流等方法除去。然后把p d m s 倒置于基板表面，用紫外光照或加 热使预聚物交联固化。去掉p d m s 模板后，就把在p d m s 模板上形成的预聚物微 6 武汉理工大学硕士学位论文 图案传递给了基板。它最大的优点是容易在曲面上制作微结构。 1 2 1 4 毛细微模塑1 2 0 1 将p d m s 模板置于基板之上，并与基板表面紧密接触。模板上的凹凸结构 在基板上形成了一个空流道网络。再利用毛细管作用，使低粘度的预聚物液体 自发地充满流道，将预聚物固化后，移去p d m s 模板，则在基板上便形成了聚合 物图案。但单纯依靠毛细作用力来进行熔体的成型，在非常小的面积范围内是 可行的，不适用于较大面积的微结构的制备。 1 2 1 5 溶剂辅助微模塑【2 1 】 可用于在聚合物基板上加工准三维的微图案，同时它还可以用于修饰聚合 物的表面形态。将p d m s 模板用溶剂润湿( 此溶剂是将要图案化的聚合物的良溶 剂) ，之后将其置于聚合物薄层上，溶剂溶解聚合物的薄层，形成聚合物的流体， 并且充满模板的表面拓扑。模板和基板完全接触，当溶剂挥发完全后( 可能通 过模板扩散) ，流体固化形成与p d m s 模板互补的微图案。 e v i s c o n t i 等人进一步的发展并改进了软刻蚀技术。这些图型化方法及操作 总结在下图1 2 2 】。按图顺序依次为软模塑、微流动、微接触印刷。这些方法均适 用于有机材料包括胶体、有机和无机半导体，共轭聚合物，金属配位体，蛋白 质及细胞的图型化。 这三种方法都有一个共同点，即都需要传统光刻模板在其他弹性体( 如 p d m s ) 上的结构复制。如同光刻掩模是光刻技术的关键一样，弹性模板则是软 刻蚀技术实施的核心元件，它用于转移由传统光刻等方法制作的刚性母板上的 微图案。低分辨率图案的制作通常选用聚二甲基硅氧烷( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ， p d m s ) 、聚氨酯( p o l y u r e t h a n e s ，p u ) 、聚酰亚胺( p o l y i m i d e , p i ) 、交联酚醛清 漆树脂( c r o s s 1 i n k e dn o v o l a cr e s i n ) 等材料的弹性模板【1 7 j ，分辨率低于5 0 0n m 的 图形则需要较硬的材料，一般采用光刻、微机械、电子束刻蚀等方法制得硬母 板。因为具有优良的弹性，低表面能、高化学稳定性、各向同性、较好的光透 性，可以与曲面基板紧密接触，易于剥离等一系列优点，聚二甲基硅氧烷成为 制作弹性模板最广泛的材料。 7 武汉理工大学硕士学位论文 s o f t 饼d 荆g c 舟湃：u 用瞄 e 互三马 i 黧等喊 m f 确m 甜n n 匕= 三杰菡釜3 图1 2 从左至右依次为软模塑，微流动，微接触印刷方法示意刚捌 软刻蚀凭借其优良的特性已经被广泛地使用，但仍存在着一些有待克服的 缺点：弹性模板的变形和畸变极大地限制了图形转移精度及可重复性，制作复 杂多层图案时弹性体需要以高精度的对准，为了适应复杂图形和器件的制作， 还需要继续发展更加完备的技术方法。 1 2 2 光刻蚀 表面图案化技术当前和潜在的应用同时也推动着图案化技术本身不断的发 展。光刻无疑是传统而又应用广泛的方法。“光刻”一词最初是指在具有疏水性图 案的亲水性表面上使用非极性油墨的印刷过程。现在，它已成为一系列将原始 模板图案复制到固体基底上技术的总称。所有光刻技术的工作原理都大致相同， 它们的区别主要是使用的电磁辐射源和图案的产生方式。按电磁辐射源的种类 来分，光刻技术可分为以光子为辐射源( 紫外光u v 、深紫外光d u v 、x 射线 等) 的光刻技术和高能粒子为辐射源( 电子和离子) 的光刻技术。光学光刻是 由投影光学系统和掩模板结合产生光刻图形的，其原理与印相片相同。光刻技 术主要过程简要包括以下四步l 冽： 1 基板，最具代表性的是硅基板。基板表面都会涂覆一层感光刻蚀聚合物材料， 即光刻胶。 2 曝光，利用曝光工具使光刻胶在一定强度的辐射下曝光形成图案。 3 显影，溶剂辅助显影过程选择性的除去被曝光或未曝光的光刻胶。这取决于 8 武汉理工大学硕士学位论文 它们的化学特性和溶解速率。 4 通过选择性蚀刻或沉积等步骤最终将光刻胶的拓扑图案转移到基板表面。 1 2 2 1 电子束光刻 电子束光刻是在扫描电镜技术的基础上发展起来的，利用电磁场将电子束聚 焦到感光胶上而无需掩模，具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级因】。电 子束光刻是无掩模直写型的，因此具有一定的灵活性，可以直接制作各种图形， 多用于软刻蚀中硬模板的制作。电子束光刻不受衍射现象限制，分辨率极限随 着高质量的电子源和电子光学系统的研制进展越来越细。由于电子束是扫描成 像型的，因此它的生产率较低。而高能入射电子在光刻胶中和衬底的散射引起 邻近效应使曝光图形模糊，又成为影响电子束光刻分辨率的重要因素【2 3 1 。因此， 电子束光刻的分辨率极限将主要由邻近效应、光刻胶的分辨率极限和光刻工艺 精度决定。 1 2 2 2x 射线光刻 x 射线光刻是深亚微米光刻技术之一，由于x 射线穿透力强，x 射线光刻 可用作大纵横比结构的制作，在微机械，徼系统的制作等方面具有广阔的应用 前景。此外，其高分辨率，大面积，高生产率的特性基本满足了大生产的要求。 x 射线光刻系统一般采用反射式设计方案，由于x 射线的强穿透力，因此必须 采用多层交迭的反射膜来提高反射面的反射率【捌。此外，多层膜的稳定性还需 要进行控制。x 射线反射式掩模的研究制作和成本成为了该技术发展的关键问 题。 1 2 2 3 离子束光刻 与电子束光刻相比，由于离子散射比电子少得多，不存在邻近效应，因而 比电子束刻蚀具有更高的分辨率。同电子束一样，离子束既可以用作聚焦束直 接在抗蚀剂内描绘图形，也可用投影曝光的方法。尽管在各种光刻技术中离 子束刻蚀可以达到更高的分辨率，但目前离子束刻蚀的研究仍较为薄弱，直接 描绘离子束光刻生产率太低，并且对仪器的要求较高，价格昂贵。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 4 紫外光刻蚀 对光学光刻，提高光刻分辨率主要有四种途径：采用短波长光源，提高光刻 镜头数值孔径，改善抗蚀剂工艺以及开发新技术增强镜头分辨能力团】。当特征 线宽尺寸进一步缩小到0 2 5 m 时，紫外光刻技术逐渐发展起来。制造尺寸越来 越小，分辨率要求越来越高，所用的光波长应处于深紫外光( d e e pu l t r a v i o l e t ， d u v ) 以至极紫外光( e x t r au l t r a v i o l e t ，e u v ) 波段。 相比这些微加工方法，近几年，日本名古屋大学的t a k a i 研究小组研制开发 出了一种具有实际应用价值的光刻蚀图案化的方法真空紫外光( v a c u u m u l t r a v i o l e t ，v u v ) 刻蚀技术1 2 5 ，2 4 1 。它采用的紫外光波长为1 7 2i l l n ，可以产生高 达7 2e v 的高能量光子，在真空条件下，与少量的0 2 作用可以产生高能的原子 氧，同时在光照的过程中有机材料表面的有机分子链断裂，这些断裂的分子链 还可与高活性原子氧反应产生含氧基团如羧基，羟基等【1 5 ，2 6 1 。由于波长短而且 在真空条件下进行，使得其进行光刻蚀图案化所需的要求范围大大拓宽，更重 要的是其具有其它光刻技术无法比拟的优点： 1 不需添加昂贵光学辅助系统的情况下，在适当光强度下短时间内可以进 行大面积的光刻蚀图案化； 2 由于具有很大的吸光系数，真空紫外光的穿透深度通常只能达到几百纳 米，因此可直接用于对聚合物材料进行表面光刻蚀； 3 真空紫外灯的辐射过程中不会产生红外光，因此不会导致样品表面升温 从而影响表面的可控修饰； 4 真空紫外光可以改善基材表面的润湿性和光接枝活性官能团； 5 大大拓宽了制作生物图案化基片的选材范围。 因此利用波长为1 7 2h i l l 真空紫外光刻蚀技术不仅可以对材料表面进行自组 装单分子膜使表面官能化，还可以进行微图案化刻蚀从而制备微流道，达到材 料表面拓扑结构的改变以及表面改性的双重作用。本文将利用低成本、大面积、 高保真的真空紫外光刻蚀技术在材料表面制作亚微米级图案，借助自组装单分 子膜的方法再对图案化表面进行官能化。在保持生物分子原有的生物活性前提 下，从微结构角度研究材料图案化表面对蛋白质吸附的选择性及其机理。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 生物材料与蛋白质的相互作用 蛋白质在生物材料表面的吸附除了与材料表面性质的有关，还受到材料表 面与蛋白质之间的相互作用的影响。生物分子在固体材料基片表面的吸附具有 许多的实际应用，如表面生物诊断( s u r f a c e 。b a s e db i o a s s a y s ) 2 7 1 、生物传感器 ( b i o s e n s o r s ) 【冽和生物医学器件( b i o m e d i c a ld e v i c e s ) 2 9 l 等都是十分重要的。 将生物分子以一种可以控制的方式大面积地固定于固体材料的表面而仍保持其 生物活性是制作微结构生物器件所面临的一个重大挑战。为了攻克这一技术难 题，人们进行了广泛的研究【2 9 1 。最近一些研究工作的焦点集中于通过制作蛋白 质、细胞和寡聚核苷酸的生物图案( b i o p a t t e r n s ) 以期获得在生物诊断和高产率 药物筛选方面的应用例。 生物分子在固体基片上的吸附通常依赖三种相互作用：物理吸附( 静电相 互作用、疏水相互作用、氢键等) 【3 1 ，3 2 1 、共价键合 3 3 1 、和生物特异性相互作用【3 4 弼。 依靠静电相互作用对蛋白质分子的吸附不仅可逆而且吸附量大，更重要的是能 很好地保持被固定蛋白分子的生物性能，而且实际操作条件简单，成为将蛋白 分子固定于基片指定的位置上一种使用最广泛的途径。虽然已经有人利用静电 相互作用将蛋白分子固定在金属氧化物基片获得具有纳米级生物图案，并将其 制成了光学和电化学生物传感器，但有一些研究结果并不能完全用静电相互作 用来进行解释1 3 。这表明蛋白质分子的吸附机理以及蛋白质分子间的相互作用 机理还有待进一步研究和探索。 在材料的生物相容性研究中，血浆蛋白在材料表面的吸附是非常重要但仍 然没有完全阐明的问题。当生物材料与生理环境相接触时，首先到达生物材料 表面的是水分子和无机盐离子，其次是体液、血液或培养基中的蛋白质分子， 最后才是细胞到