生物分子纳米图样构建及其纳米复型研究

【摘要】： 纳米加工是指制造具有人造样式纳米结构的过程。目前,认为这些结构的最小尺寸要≤100纳米。基于光刻蚀和扫描束刻蚀的常规纳米加工技术已能用于大规模生产,但这些方法面临诸多限制。非常规的纳米加工方法主要包括基于聚合物的塑模、压痕、转印技术、扫描探针刻蚀技术、分子自组装技术等。这些技术目前尚局限于科研领域,但它们拥有最终成为低成本的纳米生产方法的潜能。 非常规纳米加工技术的一个重要领域是使用一组有机材料来复制纳米图样,这些纳米图样通过塑模、压痕和转印的方法转移至其它材料。随着具有分子级复型能力聚合物材料的出现,能够用于复型的母板也更加多样。本论文重点关注生物分子构建的纳米图形的可复型问题。分别以两种生物大分子：DNA分子和多肽小分子GAV-9在云母表面构建纳米图样,并用作聚合物复型的母板,以聚二甲基硅氧烷(PDMS和h-PDMS)和聚氨酯(PU)为复型材料,进行了聚合物复型研究。主要采用原子力显微镜对生物分子模板,复型材料进行形貌表征。 为了检测母板的制备、复型或再复型的情况,本论文首先发展和建立了基于原子力显微镜的两种新的重定位和反向重定位方法,以便跟踪和表征母板的形成过程,研究各种处理条件对母板的影响,原位比较母板在复型前后的变化、以及复型或再复型在聚合物表面形成的阴版或阳版图样。 DNA分子一直被视作构建分子器件／纳米导线的重要材料,但是否可以用聚合物材料复型出其结构一直是个挑战性的课题。本论文首先运用分子梳技术在两种不同修饰的云母表面构建了DNA单分子图样,并尝试将其结构复型至PDMS表面,结果表明,DNA单分子图样可以在PDMS和h-PDMS上形成阴版图样。 多肽小分子GAV-9是与神经退行性疾病相关的三种蛋白α-synuclein, amyloidβ和prion蛋白的一段疏水性同源序列(VGGAVVAGV),本实验室在前期研究工作中发现GAV-9可以在亲水性云母表面以站立模式形成规整有序的纳米纤维结构。该自组装形成的纳米纤维结构更适合作为非常规纳米加工技术中的复型用母版,来探索生物分子图样被复型的可行性。本论文采用原位的溶液中自组装方法构建得到多种GAV-9纳米纤维图样,经清洗、吹干处理后进行聚合物复型,实验结果表明其形貌可以在纳米尺度上被h-PDMS复型,并可经PU进行再次复型,最后在PU聚合物表面获得与母板相对应的阳版纳米图样。图样的保真度尚好,纵向复型精度可以达到1 nm以下,但纵向高度低于原GAV-9纳米纤维的高度。 总体而言,以DNA构建的纳米图样用于聚合物复型仍然面临较大挑战,但规整有序的GAV-9自组装纳米纤维图样可以被较好地复型,显示出这类短肽分子自组装模板在非常规纳米加工技术方面具有一定的应用潜力,也表明将“从下至上”和“从上至下”两种方法结合起来的思路具有一定可行性。未来这类技术的发展取决于对聚合物材料、分子模板纳米图样形成机理和聚合物与生物分子模板相互作用的深入研究。