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(tuán)而具備優(yōu)異的親水性和溶液分散性，可通過經(jīng)濟(jì)高效的氧化剝離工藝制備。然而，GO單層結(jié)構(gòu)的高柔韌性使其難以直接構(gòu)建穩(wěn)定的三維宏觀結(jié)構(gòu)，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

針對這一挑戰(zhàn)，來自成均館大學(xué)、延世大學(xué)、中央大學(xué)、香港理工大學(xué)等聯(lián)合研究團(tuán)隊提出了一種基于馬蘭戈尼效應(yīng)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(shù)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(guān)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(yīng)調(diào)控與GMTP形成機制

馬蘭戈尼效應(yīng)由表面張力梯度驅(qū)動，是GMTP結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。此過程分為三個階段：初始對流期（乙醇蒸發(fā)驅(qū)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(dǎo)后續(xù)沉積）、咖啡環(huán)效應(yīng)期（底部低濃度懸浮液向側(cè)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(dǎo)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），尺寸過小（<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(yīng)；溫度25℃平衡蒸發(fā)速率（0.56 μg/s），避免高溫導(dǎo)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(yán)格控制在范圍內(nèi)才能成功構(gòu)建三維GMTP結(jié)構(gòu)。任一參數(shù)偏離區(qū)間均會導(dǎo)致問題出現(xiàn)，不僅降低制備效率，更可能直接導(dǎo)致三維結(jié)構(gòu)構(gòu)建失敗。

圖1. 馬蘭戈尼效應(yīng)的程度取決于GO懸浮液的特性和GO基幾何結(jié)構(gòu)的相關(guān)形態(tài)。

②黏度對自支撐結(jié)構(gòu)的決定性作用

懸浮液黏度（η）是GMTP結(jié)構(gòu)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(yīng)500 mg/mL懸浮液，可形成高度500 μm、均勻附著側(cè)壁的完整GMTP；高黏度（>η?）導(dǎo)致GO碎片在入口過度聚集，液膜曲率不足導(dǎo)致薄膜成型困難，形成短厚環(huán)狀結(jié)構(gòu)；低黏度（<η?），GO碎片仍無法充分聚集，這導(dǎo)致薄膜難以在微孔側(cè)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(jié)構(gòu)。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(yīng)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(jié)構(gòu)。

圖2. 基于GO懸浮液黏度的GO幾何結(jié)構(gòu)拉曼層析成像。

③波浪形結(jié)構(gòu)設(shè)計提升機械性能

通過對聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔進(jìn)行多方向的簡單物理操作（拉伸與彎曲），可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)恢復(fù)。這一過程生成了具有管狀架構(gòu)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(dá)96%。基于長度、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(jié)構(gòu)（圖3c）。通過導(dǎo)線引導(dǎo)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(tuán)隊基于摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（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(cè)壁構(gòu)建周期性波浪結(jié)構(gòu)（波長10 μm）。該設(shè)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(fù)率>95%，而濕度低于60%時結(jié)構(gòu)坍塌；波浪形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析與性能評價。

④組裝GMTP管狀結(jié)構(gòu)的形狀模擬與調(diào)控

為拓展GO微管的應(yīng)用潛力，需賦予其結(jié)構(gòu)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(gòu)型：通過金屬導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而堆疊超過十個模塊則可實現(xiàn)彎曲或扭曲管狀構(gòu)型。

單個GMTP的曲率直接影響組裝微管的可彎曲程度。實驗結(jié)果表明，模塊間耦合越強，曲率與長度越小，更多模塊組裝導(dǎo)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(xué)模型表明GMTP數(shù)量與微管長度/彎曲度的關(guān)系，并構(gòu)建波形最大振幅與波長的預(yù)測模型（圖4h-i）。對數(shù)模型精準(zhǔn)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(shè)計并制備多樣化的管狀結(jié)構(gòu)。

圖4. 根據(jù)裝配GMTP模塊的數(shù)量，分析可實現(xiàn)的GMTP結(jié)構(gòu)形式。

⑤生物相容性應(yīng)用驗證

GO因其表面電勢特性可強力吸附細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白，顯著促進(jìn)細(xì)胞黏附，在細(xì)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(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，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(xì)胞與動物實驗評估GMTP的生物相容用性：人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（hUVECs）和平滑肌細(xì)胞（AoSMCs）在GMTP內(nèi)表面緊密貼附，11天后匯合度達(dá)100%，增殖模式與傳統(tǒng)培養(yǎng)板相當(dāng)；小鼠皮下植入7天后，組織學(xué)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(fēng)險。CD31與肌動蛋白染色證實，單個GMTP內(nèi)可構(gòu)建內(nèi)皮-平滑肌雙層結(jié)構(gòu)，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(shè)備。其機械適應(yīng)性特性（包括收縮和恢復(fù)）以及數(shù)百微米直徑的管狀結(jié)構(gòu)，表明了更廣泛的生物應(yīng)用前景。

圖5. hUVECs和AoSMCs在GMTP上的培養(yǎng)結(jié)果。

總結(jié)：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(jié)構(gòu)新型制備技術(shù)。該技術(shù)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(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，研究團(tuán)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(jié)構(gòu)制備方法的標(biāo)準(zhǔn)化程度和生產(chǎn)效率。基于馬蘭戈尼效應(yīng)的GMTP制造技術(shù)有望突破現(xiàn)有GO基三維結(jié)構(gòu)的局限性，通過生物材料應(yīng)用為組織工程和生物芯片開發(fā)提供新的技術(shù)路徑。