基于馬蘭戈尼效應的自支撐波浪式氧化石墨烯模塊化錐形管制備技術

氧化石墨烯（GO）作為一種二維石墨烯衍生物，因其表面富含羧基、環(huán)氧基和羥基等含氧官能團而具備優(yōu)異的親水性和溶液分散性，可通過經(jīng)濟高效的氧化剝離工藝制備。然而，GO單層結構的高柔韌性使其難以直接構建穩(wěn)定的三維宏觀結構，限制了其在生物醫(yī)學領域的進一步應用。

針對這一挑戰(zhàn)，來自成均館大學、延世大學、中央大學、香港理工大學等聯(lián)合研究團隊提出了一種基于馬蘭戈尼效應的創(chuàng)新策略，通過調(diào)控GO懸浮液的乙醇濃度、顆粒尺寸、溶液pH值及黏度等參數(shù)，在錐形聚合物微孔中實現(xiàn)可控對流與溶劑蒸發(fā)，從而制備自支撐的波浪形氧化石墨烯模塊化錐形管（GMTPs）。該技術突破了傳統(tǒng)模板法的限制，為組織工程和生物芯片提供了可規(guī)模化生產(chǎn)的解決方案。相關研究以“Fabrication of Free-Standing Undulating Graphene Oxide Modular Tapered Pipes Using the Marangoni Effect”發(fā)表在國際期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上。

①馬蘭戈尼效應調(diào)控與GMTP形成機制

馬蘭戈尼效應由表面張力梯度驅動，是GMTP結構形成的核心機制。實驗采用深度250 μm、入口直徑500 μm、底部收窄至350 μm的PDMS錐形微孔，注入含20 wt%乙醇的GO懸浮液（0.7μL）。在25℃靜置蒸發(fā)過程中，乙醇優(yōu)先揮發(fā)會引發(fā)液膜曲率增大，隨即推動GO碎片向微孔底部堆疊，最終形成錐形管狀結構。此過程分為三個階段：初始對流期（乙醇蒸發(fā)驅動GO碎片聚集）、種子膜形成期（微孔入口處形成環(huán)狀薄膜引導后續(xù)沉積）、咖啡環(huán)效應期（底部低濃度懸浮液向側壁遷移完成成膜）。

實驗表明，乙醇濃度70 wt%可維持最佳表面張力梯度，濃度低于30 wt%或高于99.9 wt%均導致對流失效；GO碎片尺寸需控制在1000–1700 nm（pH 7.0，ζ電位-31至-35 mV），尺寸過?。?lt;800 nm）或過大（>2000 nm）分別會引發(fā)過度或不足的馬蘭戈尼效應；溫度25℃平衡蒸發(fā)速率（0.56 μg/s），避免高溫導致的過度對流。

因此，乙醇濃度、蒸發(fā)溫度、GO碎片尺寸及溶液pH值必須嚴格控制在范圍內(nèi)才能成功構建三維GMTP結構。任一參數(shù)偏離區(qū)間均會導致問題出現(xiàn)，不僅降低制備效率，更可能直接導致三維結構構建失敗。

圖1. 馬蘭戈尼效應的程度取決于GO懸浮液的特性和GO基幾何結構的相關形態(tài)。

②黏度對自支撐結構的決定性作用

懸浮液黏度（η）是GMTP結構穩(wěn)定性的核心影響因素。通過拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)：合適黏度（η?）對應500 mg/mL懸浮液，可形成高度500 μm、均勻附著側壁的完整GMTP；高黏度（>η?）導致GO碎片在入口過度聚集，液膜曲率不足導致薄膜成型困難，形成短厚環(huán)狀結構；低黏度（<η?），GO碎片仍無法充分聚集，這導致薄膜難以在微孔側壁形成——由于乙醇蒸發(fā)使懸浮液濃度升高、黏度增大，最終僅在底部形成短小的杯狀GMTP結構。與傳統(tǒng)模板法對比驗證所得，通過創(chuàng)新整合馬蘭戈尼效應與黏度調(diào)控，可實現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法制備的高精度微結構。

圖2. 基于GO懸浮液黏度的GO幾何結構拉曼層析成像。

③波浪形結構設計提升機械性能

通過對聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔進行多方向的簡單物理操作（拉伸與彎曲），可實現(xiàn)結構恢復。這一過程生成了具有管狀架構的GMTP模塊，其一端內(nèi)徑更窄（圖3b）。該方法實現(xiàn)了自支撐GMTP的大規(guī)模生產(chǎn)，單塊微孔基底可制備約215個GMTP模塊，制備效率達96%?；陂L度、內(nèi)徑與外徑的模具精度測量誤差為±6.25 μm。

為探索量產(chǎn)GMTP的模塊化潛力，將其組裝成純氧化石墨烯（GO）的延伸管狀結構（圖3c）。通過導線引導的微流控系統(tǒng)，可通過調(diào)整堆疊模塊數(shù)量控制GMTP組裝長度（圖3d）。研究團隊基于摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S130，精度：2 μm），選用耐候性工程樹脂（RG）打印高精度錐形微孔陣列母模，并通過PDMS翻模工藝制備了微孔陣列模板。隨后為增強模塊化組裝的穩(wěn)定性，在微孔側壁構建周期性波浪結構（波長10 μm）。該設計顯著提升GMTP的機械性能：單模塊在90%濕度下承受軸向壓縮比0.3后恢復率>95%，而濕度低于60%時結構坍塌；波浪形結構使10個模塊可緊密堆疊為內(nèi)聚性長管，重疊區(qū)厚度增至2.5±0.62 μm，流體測試（1–10 mm/s流速）證實其耐受生理級粘度（3 mPa·s）且無泄漏。

圖3. 單個GMTP微管與組裝GMTP微管的結構分析與性能評價。

④組裝GMTP管狀結構的形狀模擬與調(diào)控

為拓展GO微管的應用潛力，需賦予其結構靈活性。研究發(fā)現(xiàn)，濕潤狀態(tài)下組裝的GMTP可變形為多種構型：通過金屬導絲可實現(xiàn)彎曲或扭曲塑形，且內(nèi)徑保持穩(wěn)定（圖4a-b）。隨著組裝模塊數(shù)量增加，結構形態(tài)多樣性顯著提升——由三個GMTP組裝的微管僅能形成線性環(huán)狀結構，而堆疊超過十個模塊則可實現(xiàn)彎曲或扭曲管狀構型。

單個GMTP的曲率直接影響組裝微管的可彎曲程度。實驗結果表明，模塊間耦合越強，曲率與長度越小，更多模塊組裝導致堆疊更緊密；但模塊重疊面積存在極限，一旦超過特定組裝數(shù)量，長度與曲率增幅趨于穩(wěn)定。通過建立數(shù)學模型表明GMTP數(shù)量與微管長度/彎曲度的關系，并構建波形最大振幅與波長的預測模型（圖4h-i）。對數(shù)模型精準擬合了長度、彎曲度與波形頻率數(shù)據(jù)，證明利用量產(chǎn)GMTP模塊可設計并制備多樣化的管狀結構。

圖4. 根據(jù)裝配GMTP模塊的數(shù)量，分析可實現(xiàn)的GMTP結構形式。

⑤生物相容性應用驗證

GO因其表面電勢特性可強力吸附細胞外基質（ECM）蛋白，顯著促進細胞黏附，在細胞和組織圖案化以及支架生成方面展現(xiàn)出良好前景。最近，GO已被用于與其他支撐材料構建三維結構，以生成體外組織模擬模型。由GO組成的GMTP保留了這些優(yōu)勢。

通過細胞與動物實驗評估GMTP的生物相容用性：人臍靜脈內(nèi)皮細胞（hUVECs）和平滑肌細胞（AoSMCs）在GMTP內(nèi)表面緊密貼附，11天后匯合度達100%，增殖模式與傳統(tǒng)培養(yǎng)板相當；小鼠皮下植入7天后，組織學分析顯示無異常炎癥或纖維化，血清AST/ALT水平無變化；血液接觸實驗表明GMTP無促凝風險。CD31與肌動蛋白染色證實，單個GMTP內(nèi)可構建內(nèi)皮-平滑肌雙層結構，500 μm的管徑與人體小動脈匹配，凸顯其血管仿生潛力。這些實驗都證實了GMTP適用于微流控設備。其機械適應性特性（包括收縮和恢復）以及數(shù)百微米直徑的管狀結構，表明了更廣泛的生物應用前景。

圖5. hUVECs和AoSMCs在GMTP上的培養(yǎng)結果。

總結：本研究研發(fā)了一種基于馬蘭戈尼對流和黏度調(diào)控的氧化石墨烯（GO）三維結構新型制備技術。該技術通過調(diào)控制造參數(shù)，實現(xiàn)了GO懸浮液蒸發(fā)過程中對流運動與薄膜形成的精確控制。通過對關鍵參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，研究團隊確定了錐形微孔內(nèi)GMTP模塊形成的最佳條件。這一突破性發(fā)現(xiàn)可有效提升現(xiàn)有GO基微管結構制備方法的標準化程度和生產(chǎn)效率?；隈R蘭戈尼效應的GMTP制造技術有望突破現(xiàn)有GO基三維結構的局限性，通過生物材料應用為組織工程和生物芯片開發(fā)提供新的技術路徑。