林彥萍，王慶成，呂恕位，楊曉東1a,,2

超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域研究進(jìn)展

林彥萍1a,2，王慶成1b，呂恕位1b，楊曉東1a,1b,2

（1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 a.生物質(zhì)功能材料交叉學(xué)科研究院 b.機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130052；2.吉林省秸稈基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130052）

近年來，超疏水表面材料在自清潔、防潮、油水分離、防污、防腐等領(lǐng)域有著廣泛的研究與應(yīng)用；同時(shí)，利用超疏水表面材料來研究生物系統(tǒng)成為了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，大大促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。綜述介紹了超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，重點(diǎn)對(duì)痕量分子的濃縮和檢測(cè)，分離生物混合物，精確定位納米級(jí)別分子的位置，藥物的控制釋放，與多種光譜方法結(jié)合的檢測(cè)方法，精確控制納米液滴陣列，預(yù)防細(xì)菌黏附和生物膜形成以及抗血小板黏附、抗凝血等方面具有代表性的應(yīng)用研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，并分析了各自優(yōu)缺點(diǎn)以及目前存在的問題；歸納總結(jié)了現(xiàn)有超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域研究存在的不足，超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的研究還處于發(fā)展階段，其中一些理論還存在著相互沖突的觀點(diǎn)。最后，對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了展望，以期為超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的研究與發(fā)展提供理論參考。

超疏水；表面材料；生物；醫(yī)學(xué)

臨床實(shí)踐中分子標(biāo)記檢測(cè)的新型診斷工具需求日益增長(zhǎng)[1-2]，這對(duì)癌癥等疾病的早期診斷很重要，這些標(biāo)記的主要來源是血液、血漿和尿液等生物樣本。然而，在許多疾病發(fā)生的早期，在臨床檢測(cè)過程中與疾病相關(guān)的分子標(biāo)記物數(shù)量通常非常少，而且這些分子標(biāo)記物的檢測(cè)還受到每個(gè)生物樣本中成分多樣性的干擾，因此，從生物樣本的分析結(jié)果中直接獲取具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的信息是個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代的一項(xiàng)重要任務(wù)，使用少量液體將臨床檢測(cè)中的相關(guān)分子標(biāo)記物與干擾素分離，并將濃度低的樣本增加至可檢測(cè)到的閾值是實(shí)現(xiàn)該重要任務(wù)的關(guān)鍵。

納米技術(shù)為這些挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新方法及策略，其中超疏水表面是重要的方法之一。疏水表面大大促進(jìn)了現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，在診斷和治療實(shí)踐中也具有多種應(yīng)用[3-6]。超疏水表面接觸角高于150°。根據(jù)Wenzel和Cassie–Baxter模型，這種潤(rùn)濕原理不僅是表面化學(xué)的結(jié)果，也是由微米和納米結(jié)構(gòu)組成的粗糙表面紋理造成的[7-9]，這種結(jié)構(gòu)的尺寸范圍從幾百納米到幾十微米，通過使用自上而下和自下而上的方法，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出有效的策略來模仿天然存在的超疏水表面，實(shí)現(xiàn)具有超級(jí)潤(rùn)濕性的人造表面。近幾十年來，超疏水表面在抗?jié)駶?rùn)和自清潔材料方面的技術(shù)應(yīng)用引起了很多關(guān)注[10-11]。隨后，科學(xué)家將他們的興趣轉(zhuǎn)移到更基本的問題上，例如優(yōu)化表面特征、精確控制液體和固體間界面的潤(rùn)濕現(xiàn)象，這些研究工作促使新型和先進(jìn)的超疏水表面材料的開發(fā)和利用，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際操作中輕松處理微量的液體，達(dá)到幾微升甚至納升的級(jí)別。此外，精確的微觀和納米結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)不僅可以實(shí)現(xiàn)控制微量液滴，還可以實(shí)現(xiàn)在微米級(jí)和納米級(jí)水平上控制、可視化和操縱液滴中包含的物質(zhì)，這種精確控制在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，可以直接在液體環(huán)境中操縱細(xì)胞和大分子[6,12-26]。

新型超疏水表面能夠?qū)崿F(xiàn)集中極度稀釋的溶液[5,16,18,20-21,27]、分離生物混合物[28,29]、改進(jìn)超靈敏分子光譜[5,16,20,28-31]、在納米級(jí)別傳遞和控制分子[12-14,17-19,32]，為化學(xué)反應(yīng)[33-34]提供智能載體并控制藥物釋放等[35-39]，這些技術(shù)的改進(jìn)為臨床相關(guān)大分子的檢測(cè)開辟了新道路，同時(shí)也有助于開發(fā)高通量細(xì)胞篩選的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文重點(diǎn)介紹了生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域超疏水表面材料設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 X射線檢測(cè)的超疏水樣品架

X射線衍射技術(shù)能夠在生理環(huán)境中探測(cè)樣品，是研究生物系統(tǒng)的有效工具[21-22,33,40-51]。然而，阻礙X射線方法在醫(yī)療診斷中普及的主要障礙之一是其依賴于巨大的同步加速器源，新型臺(tái)式光源的開發(fā)和提高信噪比的有效策略可以克服此缺點(diǎn)[40,42]。在這種情況下，檢測(cè)方法也逐漸擺脫了樣品架，擺脫樣品架具有雙重優(yōu)勢(shì)，一方面可消除樣品架壁對(duì)樣品的吸附，另一方面避免了液體和樣品架壁之間的相互作用而導(dǎo)致樣品污染。目前，已經(jīng)開發(fā)了幾種非接觸式液體樣品定位技術(shù)，例如液滴懸浮和彈道液滴等。但這些技術(shù)通常需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，會(huì)大大限制其實(shí)用性。新型超疏水表面可以克服這些限制，這些表面的主要特征之一是其迫使液滴呈現(xiàn)極高接觸角的能力，從而限制了液體與表面的接觸面積和樣品污染，超疏水表面和基于X射線檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合使用可以解決許多生物學(xué)難題，例如生物礦化、蛋白質(zhì)構(gòu)象變化和聚集動(dòng)力學(xué)等[20-21,33]。

Accardo等[22]研究了溶菌酶溶液在動(dòng)態(tài)濃度狀態(tài)下的構(gòu)象變化和聚集，通過X射線照射樣品溶液液滴使其連續(xù)收縮來誘導(dǎo)聚集過程，進(jìn)而使蛋白質(zhì)濃度增加。為了更好地了解生物礦化過程，Accardo等[33]使用了小角度X射線散射線（Small-Angle X-Ray Scattering，SAXS）同步加速器來探測(cè)沉積在超疏水表面的碳酸氫鈣溶液液滴的液體/空氣界面，操作過程如圖1所示：用注射器在超疏水納米結(jié)構(gòu)表面上沉積溶液；蒸發(fā)過程中液滴的光柵衍射掃描；將殘留物轉(zhuǎn)移和附著到玻璃尖端，在殘留物圍繞特定點(diǎn)逐步旋轉(zhuǎn)期間收集X射線衍射圖。通過平均所有旋轉(zhuǎn)圖案確定粉末衍射圖案控制碳酸鈣沉淀反應(yīng)過程，由于SAXS同步加速器和超疏水樣品架的結(jié)合使用，避免使用反應(yīng)池，因?yàn)榉磻?yīng)池會(huì)通過成核、聚集或剪切過程影響結(jié)晶相的形成。

圖1 樣品溶液在超疏水表面并在蒸發(fā)過程中衍射掃描的由SAXS/WAXS圖案組成的復(fù)合衍射圖像過程示意圖[33]

同步輻射X射線衍射[41]、臺(tái)式X射線源[52]和超疏水表面[22]的組合解決了生物樣品檢測(cè)的瓶頸問題。Ciasca等[21]提出了一種實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以利用便攜式實(shí)驗(yàn)室設(shè)備同時(shí)收集X射線熒光（X–Ray Fluo-rescence，XRF）光譜和X射線相襯成像（X–Ray Phase Contrast Imaging，XPCI），XRF和XPCI首次與超疏水濕樣品架結(jié)合使用，可以處理少量的微升液滴中的樣品。該研究的另外一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是在超疏水表面引入了一個(gè)親水區(qū)域，由于周圍存在超疏水區(qū)域，因此沉積在表面上的液滴會(huì)與親水區(qū)域緊密結(jié)合，這可以改善樣品的穩(wěn)定性和X射線束的對(duì)準(zhǔn)性。

外泌體是小的細(xì)胞外膜囊泡（直徑40～100 nm），形狀均勻，由多種哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型分泌，這些囊泡作為生物標(biāo)志物的早期檢測(cè)十分關(guān)鍵[53]，極少量的外泌體與基于有機(jī)玻璃（Polymethyl methacrylate，PMMA）的超疏水表面的相互作用誘導(dǎo)了基于外泌體層狀結(jié)構(gòu)的形成，這種作用機(jī)制主要是物理作用，源自結(jié)腸直腸癌細(xì)胞和健康上皮結(jié)腸細(xì)胞系的外泌體在超疏水性PMMA基質(zhì)上干燥時(shí)會(huì)形成結(jié)晶殘留物，干燥過程中的對(duì)流會(huì)引起排序效應(yīng)，這些效應(yīng)可以通過X射線微束源對(duì)其進(jìn)行分析，同步加速器和臺(tái)式X射線測(cè)量均表明，來自結(jié)腸癌細(xì)胞的外泌體的層狀組織與源自健康對(duì)照細(xì)胞的外泌體的層狀組織顯著不同，這表明超疏水表面可用于結(jié)腸癌的早期檢測(cè)[22]。

相比液滴懸浮或彈道液滴，超疏水樣品架雖然具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)驗(yàn)過程中，生物大分子和化學(xué)試劑的液滴組成很難改變，因此，超疏水樣品架與自行式微流體泵技術(shù)[54]的結(jié)合可以實(shí)時(shí)更改液滴的分子組成，該流體泵是由表面張力驅(qū)動(dòng)的，由連接2個(gè)微升液滴的微通道組成，其中一個(gè)液滴明顯小于另一個(gè)，2個(gè)液滴之間的拉普拉斯壓力差導(dǎo)致液滴從較小的通道流向較大的，當(dāng)小液滴完全被大液滴吸收時(shí)，流動(dòng)停止，最終將液滴集成到超疏水樣品架中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)分子組成改變的待測(cè)樣品，使超疏水樣品架的檢測(cè)靈敏度進(jìn)一步提升。

1.2 濃縮效應(yīng)和超敏蛋白光譜

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诜稚⒃诖髽颖局械纳倭糠肿拥臋z測(cè)是一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)，但是，在痕量水平上進(jìn)行檢測(cè)需要開發(fā)一種有效的流體機(jī)制，該機(jī)制能夠?qū)⑷芙庠谌芤褐械纳倭糠肿又苯觽鬟f至檢測(cè)系統(tǒng)的敏感部分。圖案化的超疏水表面提供了實(shí)現(xiàn)此任務(wù)的有效途徑。

超疏水表面可用作“智能”濃縮器，其超疏水性提供的濃縮效果對(duì)于小的樣本量（即幾十納升至幾微升之間）有效，并且需要在Cassie狀態(tài)下潤(rùn)濕表面[20-21,31]，在這種狀態(tài)下，蒸發(fā)液滴會(huì)減小其體積，同時(shí)保持球形結(jié)構(gòu)，最終不僅液滴體積減小，而且液滴與表面的接觸面積也減小。液滴尺寸會(huì)影響潤(rùn)濕狀態(tài)。在蒸發(fā)條件下，如圖2所示，可觀察到Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)之間的過渡。液滴在Cassie狀態(tài)（圖2a）和Wenzel狀態(tài)（圖2b）的超疏水表面沉積，當(dāng)液滴蒸發(fā)后（圖2c），通常會(huì)在圖案化表面的底部觀察到圓形污點(diǎn)（通常稱為咖啡環(huán)）如圖2d所示，證明液滴沉入了紋理中，這表明從Cassie狀態(tài)到Wenzel狀態(tài)的過渡損害了表面的自清潔性能，并且在液滴完全蒸發(fā)后，會(huì)形成殘留物；殘留物的形狀可能取決于幾個(gè)參數(shù)，例如溶質(zhì)濃度、溫度和柱的幾何形狀[55]，如圖2e和圖2f所示。

圖2 液滴在Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)上沉積在超疏水表面示意圖[55]

Gentile等[21]通過掃描電子顯微鏡（Scanning Elec-tron Microscopy，SEM）在Cassie狀態(tài)下使用超疏水表面估算了濃度因子，該研究表明，在蒸發(fā)過程的初始階段，沉積在圖案化的硅表面上的小液滴留下的初始足跡直徑約為1 mm，當(dāng)溶劑完全蒸發(fā)后，沉淀物被限制在幾十微米的邊界區(qū)域內(nèi)，濃度因子約為103。Wallace等[31]使用相似的方法，在不同的超疏水表面上其濃度因子大于100。同時(shí)，Wallace等[32]還研究了溶劑液滴大小和離子強(qiáng)度對(duì)接觸角的影響，研究表明，初始液滴尺寸和柱排列對(duì)初始接觸角有很強(qiáng)的影響，而離子強(qiáng)度沒有任何影響。

Ressine等[27]報(bào)告了首個(gè)提高生物分析讀數(shù)的有效超疏水設(shè)備，該設(shè)備在多孔硅上對(duì)表面孔隙和晶粒實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制，可在基質(zhì)輔助激光解吸質(zhì)譜（Matrix- Assisted Laser Desorption Mass Spectrometry，MALDI- MS）領(lǐng)域應(yīng)用并鑒定極度稀釋的蛋白質(zhì)樣品，其工作原理如圖3所示。質(zhì)子照射區(qū)域在常規(guī)多孔硅陽極氧化過程中不會(huì)孔隙化，因此完成了硅芯片上多孔和無孔區(qū)域的直接寫入圖案化。芯片被進(jìn)一步多孔化以產(chǎn)生大孔層，大孔紋理硅層可以通過碳氟化合物偶聯(lián)進(jìn)行改性，以顯示出高達(dá)176°接觸角的超疏水性。僅接觸錨點(diǎn)區(qū)域，樣品與基質(zhì)混合物的液滴在蒸發(fā)期間縮小到芯片上有限的點(diǎn)區(qū)域中，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量極度稀釋的樣品。鐵蛋白是一種球形蛋白質(zhì)，其在人體中的主要作用是儲(chǔ)存鐵元素，正常的鐵蛋白最多可以結(jié)合4 500個(gè)鐵原子形成多相晶體，開發(fā)表征血漿中鐵蛋白的新方法在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的應(yīng)用，濃縮效應(yīng)可用于蛋白質(zhì)檢測(cè)的超靈敏等離子體傳感器，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出了幾種用于組合表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）和超疏水表面材料的設(shè)備，并已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的分子檢測(cè)[56-57]。

圖3 在多孔硅上直接寫入質(zhì)子束的示意圖[27]

Wallace等[31]使用了一種具有嵌入式等離子納米錐的超疏水設(shè)備，如圖4所示，其工作原理主要是：通過浸泡將簡(jiǎn)單且流動(dòng)穩(wěn)定的Ag膠體添加到功能化的柱陣列系統(tǒng)中，產(chǎn)生SERS平臺(tái)檢測(cè)所需的等離子體基底，使用天然柱和具有疏水功能修飾的柱子提供一種液滴蒸發(fā)效應(yīng)濃縮分析物的方法，研究證明了溶菌酶的檢測(cè)范圍達(dá)到了等摩爾濃度，組合的超疏水性SERS平臺(tái)可用于檢測(cè)治療癌癥（如白血病和乳腺癌）的蒽環(huán)類抗腫瘤藥。最近，Tan等[30]通過毛細(xì)管力光刻技術(shù)制造了超疏水SERS平臺(tái)，電磁場(chǎng)增強(qiáng)是通過Langmuir–Schaefer技術(shù)制造的Ag納米立方體的等離子體共振提供的，使用4 μL的大分子熒光探針對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試，靈敏度很高。

圖4 電滲傳遞系統(tǒng)示意圖[31]

除了基于拉曼的傳感器外，中紅外（Mid-Inf-rared，MIR）生物傳感器也在該領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，該設(shè)備直接靶向蛋白質(zhì)，通過對(duì)酰胺I（以1 660 cm?1為中心）和II波段（以1 537 cm?1為中心）的研究來收集有關(guān)其二級(jí)結(jié)構(gòu)含量和構(gòu)象變化的信息[58-60]。但是，與其他技術(shù)（例如基于熒光標(biāo)記的方法）相比，MIR光譜會(huì)受到強(qiáng)烈的熱發(fā)射背景的影響，使稀釋樣品的信噪比很小，通過結(jié)合使用超疏水性和等離子體納米結(jié)構(gòu)，可以克服這些缺點(diǎn)。目前已實(shí)現(xiàn)嵌入超疏水性表面的由等離子納米天線陣列組成的陽極裝置并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試[16]。該設(shè)備檢測(cè)到溶解在5 μL液滴中的大約10 pmol的鐵蛋白，與其他在可見光范圍內(nèi)運(yùn)行的超靈敏設(shè)備相比，該設(shè)備能夠區(qū)分給定蛋白質(zhì)的典型光譜特征，因此具有一定的特異性水平。

蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊組裝和淀粉樣原纖維聚集是許多人類神經(jīng)生殖疾病中的重要問題。Tau蛋白是阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）、Pick疾病、慢性創(chuàng)傷性腦病（Chronic Traumatic Encephalopathy，CTE）、帕金森氏病和進(jìn)行性核上性麻痹（Progressive Supranuclear Palsy，PSP）的主要病因之一，這種淀粉樣蛋白原纖維聚集的分子結(jié)構(gòu)表征對(duì)了解這些疾病的發(fā)病機(jī)理、對(duì)于新療法的開發(fā)極為重要。流體流動(dòng)是引起蛋白質(zhì)聚集的重要因素之一，但無法對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Zhang等[61]開發(fā)了一種基于超疏水性底物（Super-Hydrophobic Substrate，SHS）的水滴蒸發(fā)的方法和集成的實(shí)時(shí)成像流場(chǎng)控制平臺(tái)，借助這種方法和平臺(tái)，能夠在不借助任何聚集輔助因子進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)表征的情況下產(chǎn)生淀粉樣蛋白原纖維的聚集，SHS平臺(tái)的先進(jìn)設(shè)計(jì)使形成的原纖維聚集體的分子結(jié)構(gòu)自懸浮，有助于通過共聚焦拉曼光譜、二維X射線衍射（2D-XRD）、SAXS和廣角X射線散射（Wide-Angle X-Ray Scattering，WAXS）來分析。

以上研究結(jié)合了2種不同的前沿技術(shù)：表面增強(qiáng)光譜的等離子體納米結(jié)構(gòu)和超疏水表面，這2種技術(shù)的整合具有簡(jiǎn)單性、有效性和直觀性，并且可促進(jìn)檢測(cè)和表征分子標(biāo)記物的新型診斷工具的發(fā)展；這些潛在的生物標(biāo)記的主要來源是血液，但不同血液中的分子和細(xì)胞無法進(jìn)行直接分析，因此，上述裝置都需要使用純化后的蛋白質(zhì)或分子，這極大地限制了該先進(jìn)技術(shù)在臨床實(shí)踐中的適用性。這些集成的生物醫(yī)學(xué)微設(shè)備應(yīng)在個(gè)性化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到充分應(yīng)用，并能夠?qū)θ皇欠蛛x和純化后的血液進(jìn)行檢測(cè)。因此，未來的研究應(yīng)聚焦在對(duì)樣本進(jìn)行更為全面和直觀檢測(cè)的新設(shè)備開發(fā)上。

1.3 低分子量蛋白質(zhì)組分離

低分子量蛋白質(zhì)組（Low Molecular Weight Pro-teo-me，LMWP）是血液蛋白質(zhì)組的重要組成部分，蛋白質(zhì)和肽的分子大小小于血液中平均蛋白質(zhì)分子的大小[1]。研究表明，血液中發(fā)現(xiàn)的一些肽激素及小分泌蛋白在疾病早期診斷上具有重要作用，血液中的蛋白質(zhì)占人類血漿蛋白的50%以上，受白蛋白等高度豐富的蛋白質(zhì)的干擾，LMWP的分離具有很大的挑戰(zhàn)性[62]。

Gaspari等[63-64]提出了一種使用納米孔硅的方法來改善低分子量肽的選擇性分離的方法，由于材料表面存在適當(dāng)大小的孔，根據(jù)大小排阻原理來截留小肽。Gentile等[28-29]也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，對(duì)圓柱形硅柱制成的常規(guī)超疏水表面進(jìn)行了修改，使其擁有納米多孔硅（Nanoporous Silicon，NP-Si）的優(yōu)點(diǎn)，NP-Si膜是通過Si 陽極溶解制備的，該平臺(tái)如圖5所示，在連續(xù)尺度下，基材看起來很光滑；在微觀尺度上，柱子有助于基材的超疏水性；在納米尺度上，多孔基質(zhì)和銀納米顆粒開始發(fā)揮作用并將溶液滴在看起來光滑的超疏水表面上，超疏水表面由微柱構(gòu)成，每個(gè)微柱都被一層納米多孔硅覆蓋并包含銀納米顆粒，由于超疏水性，將溶質(zhì)濃縮到一個(gè)小區(qū)域，納米多孔硅膜和銀納米顆粒將捕獲嚴(yán)格小于孔徑的分子，最后利用光譜技術(shù)測(cè)量這些分子。該平臺(tái)具有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一是超疏水性產(chǎn)生的濃度效應(yīng)，雙尺度粗糙度的存在使效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，該粗糙度極大地將表面接觸角增大到170°；第二是NP-Si膜中復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的納米孔能夠截留具有流體動(dòng)力學(xué)直徑小于孔徑更小的分子。

納米多孔硅捕獲小于平均孔徑分子設(shè)計(jì)的超疏水裝置雖然具有很大的應(yīng)用價(jià)值，但依然不能對(duì)血液中所有成分進(jìn)行分析，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)研發(fā)能夠處理全血樣本的檢測(cè)技術(shù)。

1.4 藥物釋放

智能藥物遞送系統(tǒng)（Drug Delivery Systems，DDS）的開發(fā)是當(dāng)前提高幾種藥物治療效果的有效策略之一，主要包括兩類DDS，第一類是納米和微米級(jí)可注射系統(tǒng)，例如基于納米顆粒的DDS[65]、蛋白籠[66]、基于石墨烯的系統(tǒng)等[67-69]；第二類包括可植入藥物傳遞系統(tǒng)（Implantabledrug Delivery System，IDDS）設(shè)備，旨在監(jiān)測(cè)健康狀況并直接預(yù)防或治療[70]。

圖5 設(shè)備設(shè)計(jì)示意圖[29]

Yohe等[37]首先提出了將3D超疏水材料用于實(shí)現(xiàn)可植入藥物遞送系統(tǒng)的可能性，主要機(jī)理是水以與時(shí)間相關(guān)的方式滲透到結(jié)構(gòu)中以置換滯留的空氣，空氣可以作為結(jié)構(gòu)內(nèi)可移除的屏障，通過控制內(nèi)部聚合物表面積暴露于釋放介質(zhì)的速率來有效減緩藥物釋放，如圖6所示。這種創(chuàng)新的概念可以應(yīng)用于疼痛和慢性疾病的長(zhǎng)期治療以及預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)。在Cassie模式下，水最初并未潤(rùn)濕整個(gè)表面，但是，Cassie狀態(tài)通常是亞穩(wěn)態(tài)的，水最終會(huì)潤(rùn)濕整個(gè)表面，這種動(dòng)態(tài)特性是在智能IDDS設(shè)計(jì)中使用超疏水性的關(guān)鍵。Yohe等[71]制造了一種生物相容性的超疏水聚合材料，該材料由電紡絲沉積的聚合物ε-共內(nèi)酯纖維制成，聚單硬脂酸甘油酯-ε-己內(nèi)酯用作疏水性摻雜聚合物以實(shí)現(xiàn)整體超疏水狀態(tài)，并在電紡絲中負(fù)載抗癌分子SN- 38，該研究表明藥物釋放的速度很大程度上取決于3D聚合物網(wǎng)孔捕獲空氣的牢固程度。Yohe等[72]進(jìn)一步探索了預(yù)防直腸癌復(fù)發(fā)的方法，將抗癌分子CPT-11和SN-38加載到超疏水材料中，對(duì)超疏水材料的機(jī)械阻力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，疏水表面具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械抵抗力，可用于手術(shù)，并且能夠釋放藥物90 d以上。該系統(tǒng)經(jīng)過體外測(cè)試，證明可有效對(duì)抗直腸癌細(xì)胞。

Antunes等[73]采用超疏水表面來快速制造可光交聯(lián)的透明質(zhì)酸-甲基丙烯酸/明膠-甲基丙烯酸明膠3D球狀微凝膠，用于前列腺癌細(xì)胞和人類成骨細(xì)胞共培養(yǎng)模型，同時(shí)模擬細(xì)胞和腫瘤成分。超疏水表面實(shí)現(xiàn)了無溶劑、經(jīng)濟(jì)高效、可重現(xiàn)和適應(yīng)性強(qiáng)的異型3D球形微凝膠的制備，可用于高通量藥物篩選作為遞送藥物的良好載體材料。

圖6 超疏水3D材料上的藥物洗脫機(jī)理[37]

超疏水3D材料實(shí)現(xiàn)可植入醫(yī)療設(shè)備，這些材料為控制藥物釋放提供了有前景的策略[36-40]。雖然這些應(yīng)用在臨床實(shí)踐中的發(fā)展已處于最成熟的階段，但仍有一些方面需要改進(jìn)。例如治療時(shí)植入的設(shè)備，最后應(yīng)該通過手術(shù)移除或者直接植入完全可降解的材料，同時(shí)最好是找到通過空氣和藥物為設(shè)備充電的有效策略。超疏水3D材料的特性之一是其機(jī)械耐用性，這使其可以用作外科加固材料[62]。該材料的彈性與硬腦膜（一種覆蓋大腦和脊髓的彈性膜）非常相似，是理想的人工膜材料[74]。同時(shí)考慮到這種材料可以長(zhǎng)期局部釋放藥物的能力，也可用其對(duì)抗神經(jīng)外科手術(shù)后的細(xì)菌感染。

1.5 DNA可視化

生物體中許多重要的生命功能的發(fā)揮都需要依靠生物大分子之間以及生物大分子與其他化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的識(shí)別來實(shí)現(xiàn)，而其中DNA作為儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息的生物大分子，對(duì)于生物體維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)和物種長(zhǎng)久持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。因此DNA檢測(cè)是分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)健康重要的方面之一。圖案技術(shù)和新型功能材料結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域正在飛速發(fā)展[75]，這些先進(jìn)技術(shù)為創(chuàng)新微型設(shè)備開辟了道路，可實(shí)現(xiàn)快速、低樣本量和低成本來分析樣品。DNA芯片技術(shù)是一種廣泛用于遺傳分析和診斷的技術(shù)，為DNA分子進(jìn)行圖案化提供了基礎(chǔ)。但是，該技術(shù)需要基于濃縮的DNA樣品，其空間分辨率限制在幾個(gè)兆堿基之內(nèi)。分子梳理是可以拉伸DNA纖維的縮合技術(shù)，該技術(shù)的開發(fā)可以將空間分辨率提高到幾千個(gè)堿基以上，使其分辨率加大進(jìn)而可視化[76]。但該技術(shù)制備的排列緊密的DNA細(xì)絲間距不均勻，DNA細(xì)絲間缺乏嚴(yán)格的有序排列[77]。先進(jìn)的超疏水表面可以克服這些技術(shù)的局限性[15,17,19]。

Gentile等[15]開發(fā)了第一個(gè)能夠使DNA縮合的超疏水裝置，并可通過透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）直接成像，如圖7所示。Gentile等[20]同時(shí)還成功地利用自下而上的方法基于Cassie Baxter模型制造了一個(gè)大型有序拉伸DNA細(xì)絲陣列的超疏水基底，且DNA細(xì)絲間距均勻；幾微升含有DNA的液滴以Cassie狀態(tài)潤(rùn)濕了表面，因此在表面特征之間橋接而不穿透分隔它們的空間，在蒸發(fā)條件下，縮回的液滴邊緣拉伸DNA細(xì)絲，將其懸浮在柱子上方；具有精確納米加工的尖端固定DNA鏈，從而能夠精確控制其位置和方向，并通過傾斜超疏水表面，可以在很大的長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持嚴(yán)格有序的排列，在這種情況下，樣品溶液的液滴向下方緩慢滑動(dòng)，從而形成了嚴(yán)格對(duì)齊的1D DNA細(xì)絲。但是這種情況僅是當(dāng)液滴穩(wěn)定在潤(rùn)濕Cassie狀態(tài)的表面時(shí)才能觀察到。實(shí)際上，超疏水表面上復(fù)雜的水滴蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)可提供不同的DNA排列：當(dāng)液滴在Cassie狀態(tài)下潤(rùn)濕表面時(shí)，通常會(huì)形成大量薄而均勻且懸浮的1D DNA束[19]。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，溶質(zhì)濃度增加，DNA束直徑會(huì)從幾十納米增加到數(shù)百納米[17]，液滴狀態(tài)由Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變到Wenzel狀態(tài)。

圖7 超疏水DNA分子縮合裝置和TEM成像[15]

傳統(tǒng)的DNA檢測(cè)方法往往需要應(yīng)用納米、有機(jī)分子等間接方法將DNA信息轉(zhuǎn)化為可讀出信號(hào)，即需要各種標(biāo)記分子，從而導(dǎo)致檢測(cè)過程復(fù)雜且存在對(duì)環(huán)境有污染的標(biāo)記物。因此開發(fā)一種簡(jiǎn)便、不需要標(biāo)記分子而同時(shí)具有高靈敏度和高選擇性的可視化DNA檢測(cè)方法意義重大。Gentile等開發(fā)的DNA分子可視化設(shè)備雖然克服了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的局限性，但因?yàn)橐旱螐腃assie狀態(tài)到Wenzel狀態(tài)的轉(zhuǎn)變會(huì)損害材料表面的自清潔性能，因此，還需要進(jìn)一步對(duì)該設(shè)備及其超疏水基底進(jìn)行完善。

1.6 高通量細(xì)胞篩選

細(xì)胞微陣列（Cell microarrays，CMs）是高通量細(xì)胞篩選非常有效的工具，目前已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如細(xì)胞-蛋白質(zhì)和細(xì)胞-藥物相互作用的研究、細(xì)胞-生物材料的相容性以及全基因組篩選等[6,24-26,78]。但是，常規(guī)的微陣列方法受到很多限制，如在相鄰樣品孔之間存在交叉污染和細(xì)胞遷移的問題[25]，這會(huì)影響分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量，雖然可以通過增加樣品孔之間的距離或引入物理屏障來克服這個(gè)缺點(diǎn)，但這會(huì)限制微陣列密度，使高通量失去意義。超疏水/超親水裝置的開發(fā)為克服該局限性提供了有效策略，通過對(duì)表面張力的精細(xì)控制，將液體體積限制在小而高密度的樣品孔中；超疏水/超親水裝置極大地減少了交叉污染問題，使細(xì)胞遷移受到超疏水屏障的阻礙[25]。此外，在許多常規(guī)的微陣列中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置必須浸入相同的培養(yǎng)基中，但超疏水性的強(qiáng)封閉基板可實(shí)現(xiàn)測(cè)試分離良好的不同培養(yǎng)基中的液滴。

Geyer等[25]開發(fā)了一種超高密度細(xì)胞微陣列材料，它是通過對(duì)聚甲基丙烯酸2-羥乙酯-二甲基丙烯酸乙二酯共聚的超親水性生物相容性納米多孔膜進(jìn)行紫外線照射引發(fā)的網(wǎng)格狀超疏水圖案而制成的，通過使用光掩膜來控制樣品孔的大小和幾何形狀。同時(shí)還測(cè)試了該裝置在細(xì)胞轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)中的適用性，如圖8所示，由圖8a代表當(dāng)前最先進(jìn)的細(xì)胞微陣列，但是其細(xì)胞遷移不受控制，存在交叉污染，且轉(zhuǎn)染試劑位于凝膠墊中，細(xì)胞沉淀在它們上面。而開發(fā)的新型細(xì)胞微陣列材料，如圖8b所示，可以精確控制光斑幾何形狀、大小和密度，細(xì)胞只停留在含有轉(zhuǎn)染試劑的微點(diǎn)上，形成分離的轉(zhuǎn)染細(xì)胞簇，可以防止遷移和交叉污染，這種超高密度細(xì)胞微陣列可以顯著提高全基因組細(xì)胞篩選的效率。

Neto等[24]使用類似的方法研究了聚苯乙烯超疏水圖案表面上的細(xì)胞行為，測(cè)試了細(xì)胞與2種蛋白質(zhì)相互作用：血液中大量存在的人血清白蛋白（Human serum Albumin，HSA）和促進(jìn)細(xì)胞黏附的人纖連蛋白（human fifibronectin，HFN），超疏水微陣列材料的使用使得不同相對(duì)含量和總濃度的2種蛋白質(zhì)的雙元混合物可以輕松有效地沉積，將10 μL含有1 000個(gè)細(xì)胞的培養(yǎng)基分別分散在每個(gè)不同含量蛋白質(zhì)的親水點(diǎn)中，然后通過共聚焦顯微鏡對(duì)陣列成像，結(jié)果顯示，含有HFN多的點(diǎn)中附著大量細(xì)胞。

Salgado等[26]開發(fā)了一種密閉微陣列來研究3D生物材料與細(xì)胞之間的相互作用，制備了以不同比例混合殼聚糖、膠原蛋白和透明質(zhì)酸的藻酸鹽基水凝膠，水凝膠的生物相容性是通過測(cè)試2種不同細(xì)胞類型的破壞性和非破壞性進(jìn)行評(píng)估，超高密度超疏水性微陣列的使用可以同時(shí)篩選48個(gè)細(xì)胞-生物材料的組合，該研究為組織工程學(xué)的發(fā)展和同時(shí)篩選多種材料的新平臺(tái)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Wang等[79]開發(fā)了納升離心式液體分配器（Nano-liter Centrifugal Liquid Distributor，NanoCLD）與超疏水微陣列芯片相結(jié)合技術(shù)，用于納升規(guī)模的高通量細(xì)胞的測(cè)定。NanoCLD包括一個(gè)帶有一系列通孔的塑料原料塊，一個(gè)試劑微孔陣列芯片（試劑芯片）和一個(gè)在夾具中組裝在一起的對(duì)準(zhǔn)底部，在800 r/min下進(jìn)行簡(jiǎn)單離心可在5 min內(nèi)將約160 nL試劑分配到微孔中，然后通過將試劑芯片上下顛倒地夾在另一個(gè)微孔陣列芯片（細(xì)胞芯片）上，將分配的試劑輸送到細(xì)胞中，在該微孔陣列芯片上培養(yǎng)細(xì)胞。然后使用NanoCLD將阿霉素梯度溶液分配到細(xì)胞芯片上，實(shí)現(xiàn)微芯片平臺(tái)上進(jìn)行藥物測(cè)試的可行性，這種新穎的納升體積液體分配方法簡(jiǎn)單，易于操作，適合同時(shí)向微孔重復(fù)分配許多不同的試劑。

圖8 細(xì)胞微陣列對(duì)比圖[25]

離體測(cè)試患者腫瘤細(xì)胞的敏感性可以幫助患者確定合適的治療方法，并發(fā)現(xiàn)對(duì)特定療法的耐藥性，但可從活檢獲得的細(xì)胞數(shù)量通常不足以在常規(guī)微量滴定板中進(jìn)行離體測(cè)試。Popova等[80]開發(fā)一種基于親水-超疏水圖案化表面的新型液滴微陣列（Droplet- Microarray）平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)H100個(gè)細(xì)胞和30 pmol的藥物進(jìn)行篩選，實(shí)驗(yàn)表明，100個(gè)患者的原發(fā)性慢性淋巴細(xì)胞性白血病細(xì)胞對(duì)抗癌藥物的劑量反應(yīng)相當(dāng)于384孔板中的每個(gè)孔需要20 000個(gè)腫瘤細(xì)胞的劑量反應(yīng)。因此，Droplet-Microarray平臺(tái)可對(duì)患者腫瘤細(xì)胞進(jìn)行離體藥物敏感性和耐藥性測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)精密測(cè)試。

Accardo等[22]報(bào)道的超疏水表面在X射線檢測(cè)中可以收集外泌體，以期驗(yàn)證結(jié)腸癌標(biāo)記物，該研究可依靠超疏水微陣列技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，實(shí)現(xiàn)外泌體的標(biāo)記物的大規(guī)模研究[6,24-26]，并結(jié)合使用微米級(jí)和納米級(jí)的XRD技術(shù)和散射技術(shù)[32-34,40,52]對(duì)不同的微陣列點(diǎn)成像。

超疏水微陣列技術(shù)的研究為生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域高通量篩選平臺(tái)提供了高效的方法，應(yīng)用范圍廣泛，未來可以結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)解決更多的大樣品量的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)難題。

1.7 抗菌、抗生物黏附

在大多數(shù)國(guó)家，醫(yī)療感染蔓延是持續(xù)存在的問題?？股睾拖緞┑氖褂檬刮⑸锬退幮园l(fā)展且加劇，每天使用侵入式醫(yī)療設(shè)備治療的患者有數(shù)百萬，細(xì)菌黏附在其表面形成生物膜，最終導(dǎo)致感染和并發(fā)癥，住院時(shí)間變長(zhǎng)，甚至?xí)劳?。因此，預(yù)防細(xì)菌黏附和生物膜形成是醫(yī)療保健面臨的主要挑戰(zhàn)，應(yīng)改善醫(yī)療裝置的抗微生物性能。近年來，超疏水材料的抗黏表面為解決這一問題提供了有效方法。

許多超疏水材料在抑制微生物生長(zhǎng)方面具有顯著作用。PDMS-HNT（聚二甲基硅氧烷（PDMS）摻有埃洛石納米管（HNT））復(fù)合材料在抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的功效方面顯示出很好的優(yōu)越性，如圖9所示。研究表明，PDMS-HNT復(fù)合材料具有作為抗菌侵入性設(shè)備的涂層材料以及預(yù)防獲得性感染的潛力[81]。

通過脈沖（直流）空心陰極等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（HC-PECVD）將改性的類金剛石碳（DLC）涂層沉積到不銹鋼圓盤上，并摻雜鍺的多層膜，對(duì)涂層進(jìn)行表征。修飾的DLC涂層和摻鍺的DLC（Ge- DLC）均對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌銅綠假單胞菌具有顯著的抗生物結(jié)垢作用[82]。

調(diào)節(jié)溶液中的氧化石墨烯（graphene oxide，GO）穩(wěn)定性，可以控制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌或生長(zhǎng)增強(qiáng)作用。低濃度的GO切割微生物膜，高濃度的GO與病原體形成復(fù)合物，并以表面電位依賴性方式抑制或增強(qiáng)細(xì)菌的生長(zhǎng)[83]。

通過使用抗黏性親水性聚合物涂層在聚氨酯（PU）（一種用于導(dǎo)管制造的常用生物醫(yī)學(xué)塑料）上制備AMP涂層，對(duì)涂層的PU表面進(jìn)行表征。PU導(dǎo)管表面上的束縛肽具有廣譜抗菌活性，并在體外具有長(zhǎng)期活性，對(duì)于革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌，該表面涂層可防止細(xì)菌黏附達(dá)99.9%，對(duì)浮游細(xì)菌的生長(zhǎng)可抑制高達(dá)70%[84]。

圖9 PDMS表面和體外生物學(xué)效應(yīng)[81]

在含氟聚合物的多孔材料基底灌注氟化潤(rùn)滑液體構(gòu)筑的光滑多孔表面（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces，SLIPS）能夠高效抑制細(xì)菌黏附，經(jīng)過優(yōu)化后的改性材料表面擁有較高的透明度，且能夠?qū)崿F(xiàn)抑制綠膿桿菌生物膜生長(zhǎng)達(dá)7 d[85]。

通過陽極氧化和蝕刻工藝對(duì)納米孔和納米柱狀鋁表面進(jìn)行工程處理，使其親水（使用固有的氧化物層）或疏水（使用特氟隆涂層）。在靜態(tài)和流動(dòng)條件下，評(píng)估金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在納米工程表面的黏附力，與非結(jié)構(gòu)化電拋光平整表面相比，納米結(jié)構(gòu)化表面菌落數(shù)量顯著減少。在流動(dòng)狀態(tài)下，疏水表面上黏附的細(xì)菌數(shù)量的減少更為明顯，抗金黃色葡萄球菌和大腸桿菌黏附分別超過99.9%和99.4%[86]。

綜合以上的研究成果可以看出，超疏水抗菌表面材料結(jié)合了傳統(tǒng)抗菌材料的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)抗菌材料的局限性，在綠色環(huán)保政策的要求下，超疏水抗菌表面材料的制備方法將實(shí)現(xiàn)更多的創(chuàng)新和突破。首先，慣用的長(zhǎng)鏈全氟化合物等低表面能物質(zhì)，價(jià)格昂貴且存在環(huán)境威脅，而有機(jī)硅材料多為進(jìn)口、成本高。隨著高分子材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，若采用少量氟、硅元素接枝改性聚合物或天然高分子制備新型聚合物獲得超疏水表面，不僅能夠賦予基質(zhì)低表面能，而且能避免全氟化合物、有機(jī)硅材料的大量使用，滿足綠色環(huán)保與成本低廉的要求。為抗菌材料的發(fā)展提供了可行的方案，具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性和普適性殺菌等優(yōu)勢(shì)。但是這一類材料仍然處于概念模型的階段，多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室制備階段，如何真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用是亟需解決的重要問題。

1.8 血液相容性

超疏水材料具有很低的表面自由能，與血液中各成分相互作用較小，因此，超疏水的材料具有良好的血液相容性。材料的血液相容性，即材料植入人體后不引起血液凝聚，不破壞血液成分，也不改變血液生理環(huán)境的性質(zhì)，因此超疏水材料的低界面自由能使其具有良好的抗凝血性。超疏水材料在抗凝血方面的研究結(jié)論糾正了此前研究界認(rèn)為的只有光滑表面才對(duì)血液相容性有利的片面結(jié)論，為通過簡(jiǎn)單的工藝提高大部分材料的血液相容性提供了新方法。

Jie等[87]通過逐層（LbL）顆粒沉積方法制備的分層結(jié)構(gòu)的超疏水表面，包括單層、雙層和三層3個(gè)粗糙度。三層結(jié)構(gòu)的超疏水性表面表現(xiàn)出超低的蛋白質(zhì)吸附；此外，還降低了血小板的黏附和活化。Sun等[88]在規(guī)整排列的碳納米管基底上浸涂含氟聚合物，制得了超疏水納米結(jié)構(gòu)的薄膜。將富含血小板血漿與試樣表面接觸后，該聚合物薄膜比用同一材料制得的光滑膜具有明顯的抗血小板黏附性和優(yōu)異的血液相容性。

化學(xué)和結(jié)構(gòu)修飾的超疏水表面成本高，需要后處理，并且通常不具有生物相容性。相比之下，卷對(duì)卷（R2R）的制造方法可以將塑料收縮成一層薄而堅(jiān)硬的銀和鈣層，形成純結(jié)構(gòu)性超疏水材料。使用該方法壓印的塑料表面可最大程度地減少血液黏附，從而無需使用抗凝劑，減少血液凝結(jié)[89]。

Movafaghi等[90]使用3種不同的形態(tài)（非紋理、納米花和納米管）制備了親血、疏血和超疏血的二氧化鈦表面，對(duì)于每種形態(tài)，使用了3種不同的表面化學(xué)策略（未改性、聚乙二醇化和氟化），對(duì)每個(gè)二氧化鈦表面表征了血小板的黏附和活化作用。結(jié)果顯示，Cassie-Baxter狀態(tài)的超疏血表面與疏血性和親血性表面相比，血小板的黏附和活化能力顯著降低。

熱解碳（PyC）是一種化學(xué)惰性的生物材料，具有優(yōu)異的生物相容性，超疏水的PyC表面可以改善凝血、抑制血栓形成。Wang等[91]采用納秒激光刻蝕法制備PyC表面，具有微觀結(jié)構(gòu)的粗糙PyC表面具有超疏水性，接觸角大于150°，可以降低血流阻力并抑制血栓形成。

Sasha等[92]利用自上而下的可伸縮方法制備了柔性疏水疏血管，如圖10所示。結(jié)果顯示，該軟管既可以減少阻力，又可以對(duì)液滴進(jìn)行控制，血滴（35 μL）以15°滑動(dòng)角在管中滾動(dòng)，不會(huì)留下血跡，且該管無血小板黏附，Han等[93]基于仿生荷葉表面的超疏微納復(fù)合結(jié)構(gòu)、貽貝足絲的超高黏附性以及沙塔蠕蟲帶電荷分泌層，利用高效、精確的電荷控制納米粒子層層自組裝（ECLbL），制備了含巰基高黏附性兼具良好生物相容性的3D結(jié)構(gòu)化不潤(rùn)濕性涂層表面。該表面在血管抗血栓、材料表面防污等方面具有重要應(yīng)用。

從本質(zhì)上看，任何界面抗凝血性能的研究都不能忽略血漿蛋白的黏附。對(duì)純水超疏的表面對(duì)血小板血漿并不一定超疏。通常情況下，材料表面在與血液接觸的數(shù)秒內(nèi)首先被吸附的是血漿蛋白，在此過程中蛋白質(zhì)吸附層中蛋白質(zhì)的種類、構(gòu)象等對(duì)后續(xù)步驟起著決定性作用。體外血小板靜態(tài)黏附試驗(yàn)僅僅是表征血液相容性好壞的一個(gè)手段，要完整地評(píng)價(jià)界面的血液相容性，還應(yīng)包括研究界面對(duì)血液的溶血現(xiàn)象（紅細(xì)胞破壞）、血小板功能降低、白細(xì)胞暫時(shí)性減少和功能下降，以及補(bǔ)體激活等血液生理功能的影響。此外，還要求材料不導(dǎo)致血漿蛋白變性，不影響血液中存在的多種酶的活性，不改變血液中電解質(zhì)濃度、滲透壓，不引起有害的免疫反應(yīng)等諸多問題。因此，在開發(fā)抗凝血的超疏水材料時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步考察該材料對(duì)血液中其他成分的影響，以期實(shí)現(xiàn)全面的抗凝血材料。

圖10 疏血軟管的疏水表征[92]（a在超疏水PDMS/二氧化鈦表面上前進(jìn)和后退的水滴接觸角，b從傾斜7°的表面滾下的2 μL水滴的快照，c、d、e、f分別表示35 μL人血在超疏水樣品上、光滑的PDMS/二氧化鈦對(duì)照樣品上、血滴從超疏水PDMS/二氧化鈦樣品上滑落、血滴從光滑的PDMS/二氧化鈦表面滑落）

2 總結(jié)與展望

本綜述總結(jié)了生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的超疏水表面材料的研究進(jìn)展，重點(diǎn)是對(duì)微量大分子和細(xì)胞的操縱研究，該領(lǐng)域目前發(fā)展迅速，但本文介紹的還不夠全面，只對(duì)部分具有代表性研究進(jìn)行了綜述。超疏水表面材料的先進(jìn)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本綜述主要包括以下幾個(gè)方面：（1）痕量分子的濃縮和檢測(cè)；（2）分離生物混合物；（3）精確定位納米級(jí)別分子的位置；（4）藥物的控制釋放；（5）與多種光譜方法結(jié)合的檢測(cè)方法；（6）精確控制納米液滴陣列；（7）預(yù)防細(xì)菌黏附和生物膜形成；（8）抗血小板黏附、抗凝血。

超疏水性表面的開發(fā)技術(shù)已處于成熟階段，但將其有效整合到生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)實(shí)踐中仍處于發(fā)展階段。主要問題之一就是生物樣品具有很大的多樣性和變異性，需要進(jìn)一步研究來控制這種可變性，標(biāo)準(zhǔn)化程序并完善各種生物標(biāo)本與超疏水裝置之間相互作用的機(jī)理研究。

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Research Progress on Superhydrophobic Surface Materials in Biology and Medicine Molecule Detection

1a,2,1b,1b,1a,1b,2

(1. a. Institute for Interdisciplinary Biomass Functional Materials Studies, b. College of Mechanical Engineering, Jilin Engineering Normal University, Changchun 130052, China; 2. Jilin Provincial Key Laboratory of Straw-Based Functional Materials, Changchun 130052, China)

In recent decades, superhydrophobic surface materials have attracted much attention due to their research and technological applications for self-cleaning, anti-wetting, oil-water separation, antifouling and antiseptic materials. Simultaneously, superhydrophobic surface materials can be exploited to study biological systems, greatly promote the advancement of bio-medical testing technology. This review introduces the application research progress of superhydrophobic surface materials in the field of biomedical detection, focusing on the concentration and detection of trace molecules, separation of biological mixtures, precise positioning of nano-level molecules, controlled release of drugs, a combination of multiple spectroscopic methods, the nanometer droplet array, the prevention of bacterial adhesion and biofilm formation, anti-platelet adhesion, and anticoagulation. A brief overview and analysis of their respective advantages and disadvantages as well as current problems. The research of superhydrophobic surface materials in the field of biomedical testing is still in the development stage, and some of the theories still have conflicting views. Finally, it summarized the shortcomings of the existing superhydrophobic surface materials in the field of biomedical detection, and prospected the future research work, hoping to provide theoretical reference and theoretical basis for the research and development of superhydrophobic surface materials in the field of biomedical detection. At the same time, it provides new technologies and equipment for clinical diagnosis of diseases and realizes a personalized medical system.

super hydrophobic; surface materials; biology; medicine

TB34

A

1001-3660(2022)10-0113-15

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.012

2021–07–12；

2021–10–22

2021-07-12；

2021-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51875249）；吉林工程技術(shù)師范學(xué)院校內(nèi)博士啟動(dòng)基金（BSKJ201902）

National Natural Science Foundation of China (51875249); Jilin Normal University of Engineering and Technology on Campus Doctor Launch Fund (BSKJ201902)

林彥萍（1989—），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程仿生。

LIN Yan-ping (1989-), Female, Doctor, Lecturer, Research focus: material science and engineering bionics.

楊曉東（1965—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程仿生。

YANG Xiao-dong (1965-), Male, Doctor, Professor, Research focus: material science and engineering bionics.

林彥萍, 王慶成, 呂恕位, 等. 超疏水表面材料在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(10): 113-127.

LIN Yan-ping, WANG Qing-cheng, LYU Shu-wei, et al. Research Progress on Superhydrophobic Surface Materials in Biology and Medicine Molecule Detection[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 113-127.

責(zé)任編輯：萬長(zhǎng)清