河北
近日，煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室（以下簡稱“黃渤海實驗室”）先進材料與綠色制造前沿部研究團隊在《PNAS》上發表最新成果：利用油溶性納米顆粒與水溶性聚合物通過靜電相互作用在油/水界面上組裝形成一種稱為“納米顆粒表面活性劑”的物質介導毫米級水滴在接觸的一瞬間即產生穩固的連接，繼而將液滴轉化為新型可分隔的3D打印墨水來構建各種二維液滴圖案及更加復雜與集成化的三維液滴建筑。所獲得的全液態增材制造結構還可作為微反應器實現貨物分子在宏觀尺度上的可控傳輸，因而有望發展為一種高效、便捷與突破現有尺度界限的液滴增材制造技術來構建各種復雜的仿生分子傳輸體系。
液滴不適合作為增材制造模塊的最主要原因在于自身表面能過高，極易與相鄰液滴在接觸的瞬間即發生融合來降低體系的總表面能，因而難以維持自身的形狀與結構穩定。傳統分子表面活性劑與膠體顆粒雖然能夠有效降低表面能，但由于它們的界面結合能不夠高，很容易在液滴接觸和擠壓的過程中發生脫附，從而失去維持液滴形狀的能力。除此之外，不論是脂質體還是膠體顆粒往往都需要較長時間來形成穩定的界面結構和促進相鄰液滴間產生穩固的連接，這同樣也會提高液滴增材制造的時間成本。
針對上述難題，研究團隊利用氨基化多面體寡聚硅氧烷納米顆粒（NH2-POSS）和透明質酸鈉（SH）組裝形成的高界面結合能納米顆粒表面活性劑同時作為穩定劑與物理交聯劑，通過調節顆粒與聚合物的濃度及水相的pH值來調控納米顆粒表面活性劑的界面覆蓋度，繼而獲得三種可轉換的宏觀液滴自組裝構象包括“連通”，“捕獲聚結”和“完全聚結”。在適宜濃度與pH范圍內，NH2-POSS與SH之間的強靜電耦合作用能夠使納米顆粒表面活性劑迅速覆蓋整個油/水界面并形成高強度薄膜，從而能夠在相鄰液滴接觸的瞬間即產生穩固的連接，并在不借助任何微流控和3D打印設備的前提下，僅通過手動注射產生液滴的方式將毫米級液滴快速增材制造為擁有各種復雜幾何構型的宏觀二維液滴網絡和更加精密和集成化的三維液滴建筑。
所制備的液滴自組裝結構能夠在外力作用下拆分為若干分散的液滴碎片，再按照任意順序重新拼接為各種形狀，體現了良好的可重構性能，另一方面，能夠通過改變pH值破壞顆粒與聚合物之間的靜電作用，誘導相鄰液滴由“連通”轉變為“完全聚結”，即驅使液滴組裝體聚結為單個大液滴，并且該過程是可逆的，可用于實現組裝體的回收和循環利用。所構筑的液滴網絡和液滴建筑可作為微反應器并將單個液滴基元作為獨立的微反應室來實現單個或多種貨物分子在可控宏觀距離和尺度上的有效傳輸和混合，借此高仿真模擬細胞間的分子傳輸、物質交換和生化反應過程，為新型宏觀仿生分子傳輸體系的構建提供了新的研究范式。
基于宏觀液滴的可控組裝與精密增材制造
這項突破性成果的背后，是黃渤海實驗室高能級創新平臺的堅實支撐。實驗室秉持 “邊規劃、邊建設、邊科研、邊轉化” 的理念，著力打造 “總部基地 + 中試孵化基地 + 成果轉化基地 + 產業技術研究院 + 產業發展基金” 的全鏈條創新生態。組織實施重大科研任務，開展前瞻性基礎研究和應用基礎研究，加速推動關鍵共性技術、前沿引領技術和顛覆性技術創新突破，不斷提升源頭創新能力。黃渤海實驗室以打聚焦服務國家重大需求、全省經濟社會高質量發展，成為面向山東、輻射全國的先進材料和綠色制造重大原始創新策源地和成果轉化基地。
煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室
在這一優質平臺的支撐下，研究團隊自2022年入駐黃渤海實驗室以來圍繞高性能表面活性材料的設計制備、組裝及功能與產業化研究，開展了一系列系統性研究，截至目前，團隊已在在《PNAS》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Nano Letters》、《Nano-Micro Letters》和《Advanced Functional Materials》等國際重要期刊上發表學術研究類論文20余篇，申請和授權了國家發明專利10余件，完成了多種大宗含氟表面活性材料的生產工藝研發與公斤級中試生產工作，并與多家省內外企業建立深度合作，實現了從基礎研究到產業轉化的高效銜接。
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