2. 中国科学院 重庆绿色智能技术研究院, 重庆 400714
2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, P. R. China
近年来，随着微机电系统、三维光学器件、生物芯片等领域的发展[1-4]，具有高精细度的三维微纳结构及应用得到广泛关注。与传统的微纳结构加工技术不同，双光子聚合加工技术是基于双光子吸收效应的一种新型的加工技术，具有真三维加工能力和高穿透深度，在复杂微纳结构的制备方面展现出广阔的应用前景。在双光子聚合光刻胶材料中，引发剂是重要组成要素之一，商业光刻胶多采用传统的对紫外光敏感的引发剂分子，由于这类引发剂分子通常具有小的双光子吸收截面(δTPA)而表现出低的引发活性。通常需要增加激发能量或者曝光时间才能引发光刻胶发生光聚合，不仅不利于双光子加工分辨率的提高，还容易超过材料的破坏阈值，导致微纳结构缺陷的产生。传统引发剂分子的缺点直接阻碍了三维微纳加工技术的发展。要实现复杂三维微纳结构与器件的加工，高效双光子引发剂分子的设计研发对于双光子光聚合技术的发展至关重要[5]。
2 双光子光聚合原理双光子吸收效应是一种非线性光学效应，吸收率与入射光的强度呈非线性关系。通常需要较高的峰值功率密度才能激发出材料的双光子吸收效应。利用材料的双光子吸收效应进行微纳结构加工时采用飞秒激光光源来激发，由于飞秒激光具有超短脉冲时间和超高峰值能量的特性，能量快速、准确地集中在限定的微小作用区域，表现出传统激光加工方法所无法比拟的高精度、低损耗等独特优势。
因此，深入研究聚焦光场中尤其是焦点附近发生双光子效应的空间分布特性，对于理解双光子效应的超衍射原理具有非常重要的意义。双光子吸收效应对入射光强度具有非线性依赖性，这使双光子光引发剂在光源的聚焦点处具有局域化激发的特点。由于只有焦点附近的光强达到了产生双光子吸收的光子数密度条件，所以双光子过程只局限在焦点附近极小的区域内，从原理上来讲可以突破光学衍射极限限制，获得极高的双光子聚合分辨率(图 1)。
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图 1 双光子聚合突破光学衍射极限示意图 Fig.1 Schematic illustration of the optical diffraction limitation in two-photon polymerization |
光聚合是指含有光敏物质的单体由于吸收光子引起链式反应的过程。光聚合通常包含光引发、链增长和链终止过程。光引发通常有两种方式：第一种是光引发剂直接吸收光子，从基态跃迁到激发态，然后发生分裂产生自由基或阳离子等活性种引发聚合和交联反应；另一种是基于染料敏化光引发体系，这种体系由光敏剂和光引发剂共同组成。光照时，光引发剂本身不吸收光子，光敏剂吸收光子跃迁到激发态，然后处于激发态的光敏剂与引发剂分子发生电子转移，从而产生活性物种，最终引发单体聚合。光聚合与传统热聚合最大的不同在于产生活性物种的方式。与传统的热聚合相比，光聚合有其显著特点，如：能够快速固化、可以在室温下操作、能耗低、污染小等。因此，光聚合在很多领域得到了广泛的应用，如印刷工业、电子材料工业等。尤其是在电子工业的超大规模集成电路的工业化生产上，以光聚合为基础的光刻技术功不可没。
双光子聚合与传统的单光子光聚合相比，主要区别在于光引发过程[5]。与单光子光聚合过程光敏物质吸收一个光子产生活性物种不同，双光子聚合是光敏物质同时吸收两个光子跃迁到激发态，然后发生分解产生自由基或阳离子等活性物种，进一步引发单体的聚合反应。按照引发单体聚合的活性物种的不同，双光子聚合可以分为双光子自由基聚合和双光子阳离子聚合两种途径。在发生双光子聚合的物理化学变化过程中，首先，引发剂分子或染料敏化引发剂体系同时吸收两个光子跃迁到激发单重态，并通过系间窜越到达激发三重态，然后，裂解产生自由基或阳离子等活性物种，或者夺取氢给体的质子，从而产生自由基等活性物种。自由基或阳离子与单体反应引发单体的连锁聚合反应，最后通过链终止或者链转移失活形成聚合物。双光子聚合分辨率受多种因素影响，如飞秒激光波长、物镜的数值孔径、激光功率、扫描速度、曝光时间和光刻胶材料的光聚合活性等。
3 双光子引发剂分子设计与研究进展 3.1 双光子引发剂分子设计随着双光子聚合技术的发展，有关双光子引发剂的研究引起了广泛关注。不同类型的双光子引发剂不断地被设计与合成。在双光子引发剂的研究初期，主要是利用紫外光引发剂，如Irgacure 369和Irgacure 184[6, 7]作为双光子引发剂。单光子引发剂的双光子吸收截面δTPA虽然低，但是，其自由基产生效率高，因此这类引发剂分子在商业光刻胶(如SCR500) 中被应用。双光子引发剂不仅要求具有良好的非线性光学特性，还要具有良好的溶解性才能更好地保证光刻胶材料的均一性和透明性。光刻胶材料主要由单体、低聚物和引发剂分子构成，有的体系中还包括光敏剂、溶剂等辅助成分。
通常，引发剂分子是基于产生不同活性物种，如自由基、离子等进行分类的，在双光子聚合反应中起到重要作用，如图 2所示。
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图 2 双光子聚合示意图 I：引发剂，I·和I+：活性种，M：单体 Fig.2 Schematic illustration of two-photon polymerization I is photoinitiator, I·and I+ are reactive species, M stands for monomer |
以自由基聚合为例，引发剂分子同时吸收两个光子到达激发态，发生分解产生初级自由基，初级自由基与单体和低聚物发生反应，产生单体自由基，单体自由基引发单体反应实现链增长，直到两个自由基相遇发生链终止。这个过程使得低分子量的单体、低聚物聚合成高分子量的聚合物。
具有高引发活性的双光子引发剂的出现将为实现双光子技术的更多应用提供基础。自1990年开始，具有大的δTPA的引发剂分子得以设计与合成。分子设计主要兼顾大的δTPA和结构-性能之间的关联。通常，含有π共轭体系的分子表现出优异的双光子吸收特性，一般通过在分子中增加给电子基团或吸电子基团，增加分子内的电子转移[8]，主要包括对称型(A-π-A, D-π-D)和不对称型(D-π-A)两大类，如图 3所示。
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图 3 不同引发剂分子设计类型 Fig.3 Molecular design of the photoinitiators |
高效双光子聚合引发剂必须具备较大的δTPA，关于分子结构与δTPA的关系已有报道。1998年，Prasad小组研究了两类双光子吸收分子A-D-A(A为吸电子基团苯并噻唑，D为给电子基团噻吩)和D-π-A(D为给电子基团N, N-二苯基基团，π中心为芴、联苯或萘，有些分子用碳碳双键进行延长，A为吸电子基团吡啶)，使用纳秒激光，采用非线性透过的方法测定了该系列化合物苯溶液在800 nm波长处的δTPA，普遍具有大的δTPA，最高可达15200 GM (1 GM=10-50 cm4/photonomolecule)[8]。尽管化合物在纳秒激光作用下存在激发态的再吸收现象，测得的δTPA比真实的大许多，但该系列分子仍不失为较好的双光子吸收材料。研究发现，增加分子共轭链长度、引入给电子基团，以及增加分子共平面性有利于增大分子的δTPA，然而并未给出理论上的分析。
同年，Marder和Perry小组从实验和理论上较为全面地分析了分子结构与δTPA之间的关系[9]。合成了不同类型对称结构的苯乙烯衍生物D-π-D(D为N, N-二丁胺基，π的中心为苯，通过碳碳双键和苯环延长共轭链长度)、D-A-D(D为给电子基团N, N-二苯胺基，π的中心为苯，通过碳碳双键和苯环延长共轭链长度，A为吸电子基团氰基)和A-D-A(D为给电子基团烷氧基，π的中心为苯，通过碳碳双键和苯环延长共轭链长度，A为氰基或杂原子环等)，用纳秒和飞秒激光分别测定了该系列分子的δTPA，延长共轭链和引入给电子或吸电子基团后，分子的δTPA为二苯乙烯的400倍左右, 飞秒激光测定的δTPA最高的可达3700 GM。并用量化计算的方法，揭示了决定化合物δTPA大小的关键性因素。δTPA的大小本质上依赖于分子受激发后分子内对称电荷转移量的强弱。凡是有利于增加分子内对称电荷转移量的因素均有利于增大分子的δTPA。此外，在分子中引入Br或I等重原子有利于增加分子的三重态量子产率。
随后，Marder和Perry小组[10]详细地研究了分子的共平面程度对δTPA的影响，发现良好的共平面性有利于分子内的电荷转移，可增大分子的δTPA。日本Osuka小组和韩国Kim小组的合作研究工作很好地证明了有机分子的双光子吸收截面对其分子结构共平面性的依赖关系[11]。他们合成了两类共价键连接的卟啉结构：一类结构中两个卟啉环不受束缚，在空间上取向比较自由，而另外一类两个卟啉结构受到束缚。利用长的烷基链，可以改变两个卟啉环的二面角。研究结果表明，当两个卟啉结构不受束缚时，两个卟啉环接近正交，其δTPA只有100 GM。而当两个卟啉结构受到束缚时，该类有机分子的δTPA随着二面角的减小而显著增大，从3500 GM增加到7500 GM。上述结果清楚地显示出共平面性会显著影响有机分子的双光子吸收截面。
末端基团的种类对于有机分子的双光子吸收截面也有一定的影响。通常，末端基团为烷基或含氮芳基其δTPA较大。法国Mongin等[12]通过研究发现，当末端基团为甲氧基的时候，其δTPA仅为110 GM, 但是如果末端基团换成含氮取代基，有机分子的双光子吸收截面迅速增大到1300 GM，增加了13倍。
具有双光子吸收特性的有机分子通常具有长的π电子共轭体系，共轭体系的长度对于有机分子的δTPA也具有一定的影响。法国Blanchard-Desce小组合成了一类具有D-π-D电子结构的有机分子，发现仅仅通过延长共轭体系的长度，就可以大大增加有机分子的δTPA[13]。具有大的π共轭体系的二维环状结构有机分子由于高的跃迁偶极矩，通常具有比较大的δTPA[14]。美国Goodson小组[15]合成了具有大环状结构的寡聚噻吩结构，研究发现该类化合物的δTPA随着环的增大而增加，单个分子的δTPA甚至达到了110000 GM。Senge等[14]报道了分子中心为吸电子基酮，末端为给电子基二甲胺基，中间通过多个碳碳双键相连的双光子聚合引发剂。由于该分子具有较大的共轭体系，单光子波长最大吸收峰为509 nm，400 nm处的吸收较弱，所以对应于800 nm的δTPA很小。双光子最大吸收峰在950 nm。1064 nm处的δTPA为100 GM(纳秒激光测定的结果)，在此波长的纳秒激光作用下，该引发剂可引发丙烯酸酯类单体聚合，并具有较高的引发活性。当曝光时间为5 ms时，4.6 mW的激光功率即可使其引发聚合。
Marder等[16]报道了一系列具有对称构型的π共轭的二苯乙烯衍生物，具有大的δTPA(图 4)。研究结果发现，所设计合成的D-π-D引发剂分子可有效提高δTPA，高达1420 GM，共轭链长与δTPA呈线性增长关系。
Liska课题组[17]报道了一系列利用羟醛缩合反应合成的双键基团的环状亚苄基酮类双光子引发剂，利用量子化学模拟和实验测试研究了对称性分子结构与性能的关系。他们设计合成了含有D-π-A-π-D结构的分子，并且发现中心环结构会影响激发态，从而影响荧光量子产率和双光子引发效率(图 5)。双光子聚合结果发现，4-甲基环己酮类分子与五元环类分子相比具有更宽的波长响应范围。同时，这类双光子引发剂分子具有优异的热学稳定性和弱的单光子吸收。
非中心对称和中心对称的苯乙烯类、吩噻嗪、咔唑类和三苯胺类引发剂分子也被设计[18-20]，通过比较上述化合物的δTPA，发现对非中心对称的分子而言，引发活性低可能是由于分子被激发时缺乏分子内对称的电荷转移，导致δTPA较小，引发活性不高。对于中心对称的分子，虽然较非中心对称分子具有大的δTPA，然而引发活性仍然不高，主要是由于分子上没有引入可产生高效引发反应的物种，如胺等助引发剂，或是没有引入对产生的自由基起稳定作用的基团。
选择紫外光助引发剂为共轭中心，使用碳碳双键和苯环延长其共轭体系，并改变分子末端取代基对其进行分子修饰，使之具有较大的δTPA，同时引入紫外光引发基团使分子具有较高的引发活性。中国科学院化学所杨国强小组[21]合成了一系列苯乙烯类双光子吸收化合物，研究发现优化得到的化合物1, 4-二(E)-(1′, 2′-二氢-1′, 2′, 2′, 4′-四甲基喹啉基-6′)乙烯基-2, 5-二甲氧基苯，其双光子吸收截面为1164 GM, 是一种具有优异双光子吸收性能的化合物。中国科学院理化技术研究所吴飞鹏小组[22]研究了亚苄基环戊酮类有机分子，测试发现其双光子吸收截面高达3299 GM。
分子共轭链的长短与δTPA有密切的关系，分子共轭链的中心部分对分子的δTPA也有影响。小分子咔唑基衍生物类双光子吸收材料是以咔唑基基团为中心，主要用作双光子荧光探针[23-27]和双光子引发剂[5, 28]。我们在前期工作中以咔唑为核心，合成了具有Cv和C2v对称构型的一维和二维咔唑衍生物，并且分子结构上修饰了不同的两亲性基团(图 6)，因此，其亲和性可以通过改变分子对称性和咔唑基上的疏水链的长度来调控[25]。前期研究表明这类分子具有大的δTPA(高达1600 GM)和细胞亲和性，因此能够获得对比度很高的图像。
C2v对称型咔唑基衍生物比较易于在3、6位修饰，我们课题组曾报道在C2v对称型咔唑基衍生物的3、6位上进行修饰形成共轭体系[28]。研究发现阴离子给电子基团和分子对称性会影响该类分子的单光子和双光子性质。例如二维对称的分子与一维分子相比较，虽然荧光量子效率较低，但具有更大的δTPA，因而在三维微纳结构制备时表现出更高的引发活性。基于前期对分子设计的理解，我们发展了一类含有三键的A-π-D-π-A咔唑基衍生物[5]。这类化合物以咔唑基作为供电子基团，硝基苯基作为吸电子基团，通过苯乙炔基连接形成，其中三键使δTPA增加，获得了0.8 mW的聚合阈值，大大低于商业引发剂偶苯酰的6.37 mW。
由于蒽醌具有独特的共轭结构，其衍生物广泛地应用于引发紫外光聚合。同时，蒽醌9位和10位的醌基为优异的吸电子基团，从2位和7位，或3位和6位可较容易地对蒽醌分子进行修饰，合成D-π-A-π-D和A-π-A-π-A型化合物。其中，2, 7-二(4-二甲胺基-苯乙烯)-9, 10-戊烷氧基-蒽具有高的引发活性，我们利用自主设计搭建的双光子聚合装置，以中心波长780 nm，脉冲宽度80 fs，重复频率80 MHz的飞秒激光作为激发光源，获得了80 nm线宽的加工分辨率(图 7)，在掺杂量为0.18%(摩尔分数)时获得了极低的聚合阈值0.64 mW。该研究表明，通过设计合成具有高引发活性的双光子引发剂有望获得低的聚合阈值和高的分辨率，对其自由基引发机制进行研究后发现，蒽衍生物双光子聚合引发剂吸收两个光子跃迁至激发态后发生电子氧化还原反应，产生阳离子自由基，然后C—O断裂并在蒽的10位形成自由基，该自由基与甲基丙烯酸作用产生单体自由基，从而引发聚合[29, 30]。
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图 7 蒽醌分子的结构式与80 nm分辨率线条[29] Fig.7 Chemical structure of the anthraquinone molecules and the line of 80nm resolution[29] |
进一步，我们提出利用主客体化学原理及亲疏水作用，制备环糊精(Hp-β-CDs)-蒽醌衍生物类和泊洛沙姆(PF127)-蒽醌衍生物类具有良好非线性特性的水溶性双光子引发剂(图 8)，其δTPA高达200 GM，带来更高的引发活性，在双光子微纳加工中表现出低的聚合阈值6.29 mW，通过光物理-光化学反应控制，实现了92 nm线条分辨率，利用其构筑了三维光子晶体、腺病毒、红细胞等具有高精细度的水凝胶微纳结构[31-33]。
随着研究的不断深入，许多研究小组报道了对多枝结构分子δTPA的研究，发现该系列化合物相比于一维和二维的分子具有更大的δTPA。中国科学院理化技术研究所赵榆霞等[34, 35]设计合成了一系列香豆素类的多枝双光子引发剂，并详细研究了该类引发剂的双光子吸收特性和聚合特性，获得最大的δTPA 1117 GM。我们与王筱梅课题组[36, 37]合作研究了三苯胺拓扑结构(树枝状分子)的有机化合物的双光子吸收引发聚合特性。在780 nm近红外飞秒脉冲激光下，对自制的负性光刻胶——甲基丙烯酸甲酯树脂进行双光子聚合，雕刻出微米公牛像和三维光子晶体微结构(图 9)。为便于比较，以商用光引发剂偶苯酰作参比，考察其在相同体系中的双光子引发聚合特性。结果表明，树枝状结构分子(Np-G2) 的双光子引发性能优异，其聚合阈值比偶苯酰低近10倍。而传统的紫外光聚合引发剂偶苯酰由于δTPA较小，需较高的激光能量才能引发聚合，易造成对微结构的光损伤。我们还通过荧光动力学、电化学、荧光激发光谱等手段，研究了三苯胺拓扑结构引发丙烯酸酯单体发生双光子聚合的微观机理，结果表明三苯胺拓扑结构首先吸收两个近红外波长的光子跃迁至激发态，通过分子内电荷转移、分子间电子转移，将一个电子传递至聚合单体甲基丙烯酸甲酯，诱导后者生成自由基，最终引发聚合。
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图 9 利用多枝状引发剂加工的三维微结构以及引发聚合的原理[36] Fig.9 Three-dimensional microstructure and the photoinitiation principle of the multibranched photoinitiator[36] |
功能器件不断小型化、高度集成化的发展趋势，对具有高精细度的结构与器件的制备技术提出了新的挑战。基于非线性光学效应的双光子聚合加工技术能够突破光学衍射极限，将光反应区域局限于光斑焦点中心极小的三维空间内，具有高精度、低成本的优势与三维空间加工能力，为复杂微纳结构加工提供了有力工具。该技术自从2001年突破120 nm的加工分辨率后[3]，我们及国际上知名的课题组从材料、结构设计、加工工艺及光场调控方面不断改进，分辨率取得快速突破，在玻璃基板上实现了80 nm、65 nm、50 nm、40 nm的加工分辨率(图 10a)[29, 38, 39]，在悬空线结构方面实现了25 nm、18 nm、9 nm的加工分辨率(图 10b)[40-42]。
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图 10 a)玻璃基板上和b)悬空线结构的双光子聚合分辨率研究[3, 29, 38, 42] Fig.10 Resolution achieved by two-photon polymerization for nanostructures: a) on the glass substrate and b) suspended line[3, 29, 38, 42] |
获得高的分辨率主要通过两种途径：高效双光子引发剂的优化设计与合成；飞秒激光加工工艺参数的优化。在前期工作中，我们设计合成了二甲胺基取代的蒽醌衍生物双光子引发剂分子，其具有极低的聚合阈值0.64 mW，并获得了80 nm的加工分辨率，进一步证实利用具有高引发活性的双光子引发剂有望获得高的加工分辨率[29]。另一方面，通过分析激光焦点的横向与纵向光强分布特性，发现精确调节曝光能量与曝光时间，可获得较小长径比的加工结构，在实验中我们获得了长径比为1.38的聚合物线条，改变了日本科学家之前报道的加工物长径比仅由焦点形状决定, 且无法小于3.0的结论，并获得了玻璃基底上线宽50 nm以下的加工分辨率，为实现三维规则结构加工提供了理论与实验基础[38]。进一步，通过结构设计，并控制激光聚焦焦点位置、能量与扫描速度，利用商业负性光刻胶SCR500获得了18 nm的悬空线结构[41]。
4.2 功能微纳结构及应用飞秒激光双光子聚合作为新兴的激光加工技术，在三维功能微纳结构直写方面具有显著优势，国内外的研究小组利用该技术制备了许多光电子学、信息科学、生物医学等领域具有重要应用前景的复杂微纳结构。
通过优化不同的材料体系，可以实现满足各种需求的多样化微纳结构的加工。美国Ober小组首次将双光子加工技术应用到聚二甲基硅烷(PDMS)中，采用两种不同的方法实现了微纳结构的加工:1) 利用具有光活性的催化剂引起光致硅氢化反应，最终得到三维微纳结构。这种方法容易受到热聚合的干扰，从而导致分辨率下降; 2) 利用敏化光产酸体系引发交联反应，这种方法不会有热聚合发生[43]。最终，得到了如图 11所示的各种二维和三维微结构。
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图 11 利用PDMS加工的二维和三维复杂微结构[43] Fig.11 Two-dimensional and three-dimensional arbitrary microstructures using PDMS[43] |
1999年，美国Marder小组采用二苯乙烯类衍生物引发剂和丙烯酸酯类单体进行双光子聚合，研究发现高效的双光子引发剂除具有大的双光子吸收截面，分子中还需包含能够高效引发反应的物种，如胺基等助引发基团。采用对应于引发剂双光子最大吸收的波长、脉宽150 fs的激光加工出了三维光子晶体、波导和悬臂列阵等结构[44]。
澳大利亚Gu小组[7]利用氨基丙烯酸酯预聚物和多种功能单体复配，加入Irgacure 369作为引发剂，配制了一个新的负性光刻胶体系。通过优化光刻胶的组成成分，使得该光刻胶体系具有分辨率高、热稳定性好、光敏性好、聚合前后材料的收缩变形小等特点。利用该光刻胶体系进行双光子聚合，得到了分辨率为300 nm、光子禁带位于2.3 μm附近的三维光子晶体结构。
美国Braun小组[45]利用传统的紫外光敏化剂异丙基硫杂蒽酮与光产酸剂组成染料敏化光产酸体系，同时选择缩醛类基体树脂，组成正性光刻胶。利用780 nm飞秒激光进行双光子加工，得到亲水性孔道。由于光敏剂异丙基硫杂蒽酮在激发波长处的双光子吸收截面较小，所以加工时的激光能量高达40 mW，远远高于Marder小组40 μW。我们利用正性光刻胶AZ P4620进行双光子加工，通过改变激光加工参数获得了最细为85 nm的沟槽结构[46]。
利用商业化的光刻胶材料和飞秒激光三维微纳加工平台，我们团队前期结合微纳结构设计，首次制备了基于渐变简单立方光子晶体结构的微尺度光波段的三维Luneburg透镜[1, 47, 48]，表征了三维Luneburg透镜在平面波入射下的完美聚焦性质，采用层层扫描的方法来还原球透镜顶端的三维光场分布，实验证明其聚焦光场分布特性与COMSOL仿真结果基本一致。测量的聚焦光斑的光场强度的半高全宽(FWHM)为0.52 lamda，等价于半个波长(阿贝衍射极限)，验证了Luneburg透镜具有理想三维聚焦的性能(图 12)。该研究使对三维Luneburg透镜的研究从宏观的微波领域转向微观光学领域迈进了坚实的一步，该研究成果将进一步促进微小光学和变换光学的发展，并拓展超快激光三维微纳加工技术在微纳米器件领域中的全新应用。
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图 12 双光子聚合制备光波段三维Luneburg透镜[1] Fig.12 Three-dimensional Luneburg lens at optical frequency by two-photon polymerization[1] |
通过将双光子聚合与其它技术相结合可以制备更多功能微纳结构。我们研究团队利用纳米粒子尺寸可控原位合成技术与双光子聚合技术，制备出包括具有多种颜色荧光的细胞尺寸三维微米牛等多种三维微结构，并发现在尺寸较小部位具有较强的发光强度[2]。通过将双光子聚合技术与化学镀技术相结合，赋予聚合物结构磁性，实现了三维金属弹簧结构[49]和外磁场可驱动的三维微机械的制备[50]。
德国Gansel小组[51]利用在正性光刻胶AZ 9260中利用双光子加工技术中制备了三维微结构。他们首先在ITO导电玻璃表面旋涂正性光刻胶AZ 9260，然后利用双光子加工技术在光刻胶中加工了螺旋结构的微纳米空气孔洞。进一步以该空气孔洞为模板通过电化学沉积法，生长出了具有特异光学性质的手性金属螺旋结构。
针对目前生物组织工程发展对生物相容性材料的需求，双光子聚合技术也展示了良好的应用前景[52]。水凝胶是潜在的重要细胞支架材料，具有三维聚合物网络、良好的生物相容性、高渗透性和理化特性，在药物释放、药物筛选、细胞操控及组织工程支架材料方面获得了广泛应用。光聚合是制备水凝胶结构的方法之一，它借助光引发剂，通过光引发聚合反应而形成水凝胶[53]。利用光聚合方法制备水凝胶结构具有可实现水溶液中原位交联、几何形状易于控制、反应速率快、反应热较低等优势。因此，光聚合水凝胶结构在生物医学与组织工程等领域具有良好的应用前景，设计制备具有良好的生物相容性和形貌、尺寸可控的水凝胶结构, 势必推动组织工程领域的飞速发展。
水凝胶体系对材料组分的水溶性要求很高，我们前期利用亲疏水相互作用设计合成了泊洛沙姆(PF127)-蒽醌衍生物的水溶性双光子引发剂，利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、红外光谱、δTPA测试等对其光物理光化学性质进行了表征。由于所使用的蒽醌衍生物具有更高的化学活性，获得了更低的聚合阈值和更高的分辨率，为高精细水凝胶结构的制备提供了研究基础。利用该引发剂体系，成功地制备了具有高精细度的三维腺病毒结构和红细胞结构(图 13)[32, 33]。
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图 13 利用含蒽醌引发剂分子的光刻胶加工的腺病毒和红细胞结构[32, 33] Fig.13 Adenovirus and red blood cell microstructure fabricated using photoresist containing anthracene photoinitiator[32, 33] |
Klein等[54, 55]使用Ormocomp光刻胶体系，加工出如图 14所示的三维支架结构，利用多聚赖氨酸和连纤蛋白对三维结构做处理后，鸡心肌细胞能够很好地粘附于具有弹性的聚合物线上，并保持良好的生长状态，通过观察线的弯曲和振动，可观测细胞生长过程中的力学性能变化。随后，该研究组通过在商用光刻胶中掺杂聚合物的办法，加工出蛋白质亲和的三维结构，利用细胞粘附的选择性，对细胞生长行为及细胞形态进行三维控制，实现了细胞生长三维微环境的可控模拟。
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图 14 双光子聚合三维组织工程支架并用于细胞生长[54, 55] Fig.14 Two-photon polymerized three-dimensional tissue engineering scaffold and the application in cell growth[54, 55] |
本文介绍了双光子光聚合原理、双光子引发剂的分子设计，及其在飞秒激光双光子微纳加工中的应用。双光子吸收截面作为衡量引发剂分子的引发效率的重要标准，可以通过分子设计、结构-性能关系、光学特性等方面进行优化。双光子引发剂分子的研究将为飞秒激光双光子微纳加工技术的发展提供材料基础，而具备三维加工能力、个性化设计及高精度特点的双光子聚合技术，也为更多领域的复杂功能微纳结构与器件的制备提供了有力工具，在信息、材料、能源等领域展现出巨大的应用前景。
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