二、表面物理梯度

（一）表面形貌梯度

将粒子通过聚合物刷梯度固定在表面，粒子密度不均匀，可以形成粗糙度的梯度。由于聚合物刷的长度限定了粒子的大小，过大的粒子无法穿过聚合物刷层固定在表面，因此粒径通常为几个纳米左右（图4-7A）。通过静电相互作用也可以将粒子固定在表面，例如将带正电的聚乙烯亚胺表面，浸泡在带有负电的二氧化硅粒子分散液中再提拉，粒子能够吸附在聚乙烯亚胺表面，形成梯度。为了保证粒子在表面的稳定性，后续需要1 000℃以上烧结。由于金纳米粒子-聚合物间的作用力远小于金纳米粒子间作用力，因此真空条件下，利用热蒸发，使金纳米粒子在聚苯乙烯膜表面组装形成小聚集体的密度梯度。

如果用硅表面做电化学反应的阳极，那么在表面会出现孔结构，通过调节电解质中阳极附近氢氟酸的浓度能够调节孔隙大小。因此，在电极表面构建氢氟酸的密度梯度，能够在表面刻蚀出大小不一的孔结构的梯度，该方法被称为电化学刻蚀。例如，在两片硅片两端加电压，电极附近实时的溶液密度从中间向两边梯度增加，在表面形成孔隙的梯度（图4-7B）。

将粗糙表面梯度抛光也是制备表面形貌梯度的一种方式。将铝材基板用金刚石粒子喷砂，进而浸泡在化学抛光溶液中，慢慢将铝基材拉出。由于化学抛光时间梯度改变，在表面形成一个粗糙度梯度（图4-7C）。

图4-7　表面粗糙度梯度构建实例

A.通过蒸发（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷和液体石蜡的混合物底物吸附的金颗粒的AFM图像；B.蚀刻而成的多孔硅梯度以及与边缘不同的距离位置的扫描电镜照片；C.铝表面粗糙度梯度的光学图像。

聚合物有很多特殊性质，通过加热使聚合物分相也可以制备梯度，分相后的聚合物形成表面粗糙度梯度，并垂直于温度梯度的方向。利用聚合物在不同温度下的结晶性质不同，构建一个温度梯度，在梯度方向上结晶行为不同，可以构建表面粗糙度梯度。将低密度聚乙烯加热熔化，并慢慢降温重结晶，再在温度梯度下退火处理，能够得到聚乙烯薄膜上的孔隙结构的梯度。

（二）表面硬度梯度

水凝胶杨氏模量或剪切模量在同一方向连续变化即可构成表面硬度梯度。

对于光交联得到的水凝胶，原位实时控制光化学反应进程能够制备出可控的梯度。前驱体中光引发剂激活自由基的剂量和光的辐照程度正相关，因此可以控制自由基聚合的反应动力学，得到梯度。聚合物主链和侧链的光响应基团，对光照产生的响应可以分为两种，化学交联或断链。例如硝基苄基、缩酮-缩醛衍生为可光分解的基团；可光交联的基团如肉桂酸、苯乙烯、冰片烯和苯甲酮等。然而基于光引发活性基团制备的梯度，在细胞培养过程中会对细胞表型造成一定影响甚至导致细胞死亡。因此能够用于细胞培养的水凝胶梯度，通常是分解交联位点或形成第二个聚合物网络，即互穿网络结构。控制光照剂量的方式通常有以下两种：使光照穿透灰度梯度的光掩膜或以一定速率拖动光掩膜改变光照时间（图4-8A）。

通过制备空间上组分连续变化的前驱体溶液也能够得到梯度变化的水凝胶，通常的方法是通过流体动力学连续改变单体和交联剂的比例（图4-8B和图4-8C）。一种简单的方法是使两滴组分不同的液滴互相渗透形成梯度，该方法由于梯度宽度非常有限，无法精确调控，往往得不到相对稳定的梯度。想要得到精确、稳定的梯度，需要通过一些反应或发生装置辅助，例如通过微流道梯度发生器将两种或多种前驱体溶液通过微流道重复汇合再分离或注射泵辅助的方式等。

图4-8　制备模量梯度水凝胶的方法

A.使用光掩膜或滑动掩膜局部控制光化学反应构建梯度示意图；B、C.使用微流体梯度发生器的示意图。

带有相反电荷的聚电解质层层组装制备多层膜是表面修饰的重要手段之一，该方法简单、组分明确、所得多层膜的机械性能和化学性能便于精确调控。引入交联剂能够使层层组装形成的多层膜结构更加稳定。通过构建交联剂的梯度，可以得到交联度渐变，即模量渐变的聚电解质多层膜材料（图4-9A）。一定浓度的盐溶液对聚电解质的电荷有屏蔽作用，使聚电解质间相互作用减弱，导致多层膜解离。一部分水溶性聚电解质溶解在溶液中，多层膜的溶胀行为改变，因此硬度改变。通过构建盐溶液的浓度梯度，能够在聚电解质多层膜表面得到刻蚀程度不同、模量渐变的梯度（图4-9B）。

图4-9　基于多层膜的梯度材料构建

A.载玻片上的PEM膜结构，及在其表面构建生物分子梯度的示意图：①将PEM与PDMS微流体装置接触；②在微通道中引入预填充溶液；③将小滴生物分子置于每个微通道的入口处，从入口到出口的正向流动；④梯度是通过反向流动（出口到入口）产生的；⑤去除该装置，得到表面梯度的PEM膜。B.通过盐溶液蚀刻沉积在硅表面聚烯丙基胺盐酸盐（polyallylamine hydrochloride，PAH）7.5/聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA）3.5 薄膜，产生厚度梯度。