一种用于核酸分离的复合功能光固化墨水、制备及其应用

本发明属于工程，涉及一种用于核酸分离的复合功能光固化墨水、制备及其应用。

背景技术：

1、光固化3d打印技术，尤其是基于数字光处理（dlp）和面投影微立体光刻（pμsl）的技术，因其高分辨率、空间可控性及高度设计自由度，已成为微纳制造与功能器件开发的重要手段。该技术能够实现复杂微结构及跨尺度结构一体化设计，在医疗器械、可穿戴设备以及功能性材料制备中展现出独特优势。现有光固化3d打印墨水通常由丙烯酸类单体、多官能交联剂及光引发剂组成，通过自由基光聚合实现固化。然而，现有技术仍存在固化均匀性难以精确控制、功能化官能团数量及分布受限等问题，同时纳米填料易团聚，界面结合能力不足，限制了微结构器件在界面功能性和化学活性上的提升。

2、传统墨水研发大多满足结构制造需求，而缺乏针对生物分离功能的界面设计，现有打印材料通常不具备核酸吸附能力，若用于核酸分离，通常需要在打印完成后进行等离子体处理、表面接枝、生物配体固定或其他功能化修饰，不仅增加了制备工艺的复杂性，而且存在重复性差、成本较高及界面稳定性不足等问题。因此，开发一种能够精确调控光固化行为、功能化官能团可调、纳米填料均匀分散并稳定的高性能光固化3d打印墨水，对于高精度功能器件的制造及界面功能性调控具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有光固化3d打印墨水主要面向结构成型设计，缺乏适用于核酸分离的功能界面，以及现有核酸提取技术依赖磁珠、离心柱或自动化提取设备，存在设备依赖性高、操作步骤复杂、难以满足现场快速检测需求等问题，本发明提供一种复合功能光固化墨水、其制备方法及在核酸分离中的应用。

2、本发明的核心构思在于，将核酸分离功能纳入光固化墨水配方设计，通过在光固化墨水体系中协同引入核酸结合功能组分与纳米界面调控组分，在光固化成型过程中原位构建具有核酸可逆吸附能力的富羧基有机-无机功能界面，使打印器件成型与功能界面构建同步完成，打印所得器件无需再进行表面接枝、生物配体固定或其他功能化修饰处理即可直接用于核酸分离。围绕核酸分离功能构建这一目标，对光固化墨水体系进行整体设计，与现有光固化墨水主要服务于结构成型不同，本发明将光固化成型性能、核酸分离功能及器件稳定性作为统一设计目标，通过对各组分的功能定位、配比关系及协同作用进行优化，使功能界面在光固化过程中同步形成，实现打印成型与功能构建的一体化。

3、本发明采用聚乙二醇二丙烯酸酯（pegda）和甲基丙烯酸（maa）作为主体聚合体系，通过自由基聚合构建富羧基交联网络；引入甲基丙烯酸羟乙酯（hema）作为共聚单体，以改善体系相容性及聚合网络均匀性；进一步引入纳米二氧化硅（sio2）构建有机-无机非均相界面，提高功能界面的稳定性及核酸接触效率。同时，本发明将甘油引入光固化墨水体系，利用其多羟基结构调节墨水流变性能，促进光吸收剂及纳米二氧化硅均匀分散，提高体系均一性及光固化稳定性，为富羧基有机-无机功能界面的稳定构建提供工艺保障，从而实现核酸分离功能与光固化打印性能的协调统一。上述各组分相互配合，使所得光固化墨水在保持良好打印性能的同时，打印制件无需后续表面功能化处理即可直接具备核酸吸附与洗脱功能。

4、本发明的技术方案：

5、一种用于核酸分离的复合功能光固化墨水，包括如下组分：聚乙二醇二丙烯酸酯（pegda）、甲基丙烯酸（maa）、甘油、甲基丙烯酸羟乙酯（hema）、光引发剂、光吸收剂和纳米填料。

6、进一步地，所述聚乙二醇二丙烯酸酯与甲基丙烯酸的体积比为5:1～1:2，优选为1:1。

7、进一步地，所述聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量为200～700，优选为400。

8、进一步地，所述甘油的加入量为复合功能光固化墨水总体积的2%～15% （vol/vol，g/ml）。

9、进一步地，所述甲基丙烯酸羟乙酯的加入量为复合功能光固化墨水总体积的2%～15% （wt/vol，g/ml）。

10、进一步地，所述光引发剂为(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（tpo），加入量为复合功能光固化墨水总体积的0.1%～1% （wt/vol，g/ml）。

11、进一步地，所述光吸收剂为柠檬黄、苏丹红或其他偶氮类化合物中的一种或两种以上混合，加入量为复合功能光固化墨水总体积的0.1%～1% （wt/vol，g/ml）。

12、进一步地，所述纳米填料为纳米sio2、纳米al2o3、纳米tio2中的一种或两种以上混合。优选为纳米sio2。粒径为5～100 nm，优选为15 nm，加入量为复合功能光固化墨水总体积的0.1%～5% （wt/vol，g/ml）。

13、进一步地，本发明可基于jacobs工作曲线建立墨水固化行为与曝光参数之间的定量关系：，其中，为固化深度，为等效光穿透深度，为表面曝光能量，为临界曝光能量。通过测定墨水的与，可对打印曝光参数进行优化，实现固化行为的可预测调控，提高打印精度及不同批次墨水打印行为的一致性。

14、采用本发明的复合功能光固化墨水经打印成型后，形成的3d打印核酸分离器件可直接用于核酸分离，无需再进行表面接枝、生物配体固定或其他功能化修饰处理。

15、本发明还提供一种上述复合功能光固化墨水的制备方法，包括如下步骤：

16、步骤一、将甲基丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯按比例混合，在室温条件下搅拌均匀，得到均相预聚液a；

17、步骤二、将甘油与光吸收剂混合，在室温条件下搅拌均匀，得到均相预聚液b；

18、步骤三、将均相预聚液a与均相预聚液b混合，避光条件下继续搅拌，并加入光引发剂，得到均相复合墨水（pp墨水）；

19、步骤四、向均相复合墨水中加入纳米填料，通过超声分散及搅拌获得分散均匀的复合功能光固化墨水。

20、本发明还提供一种3d打印核酸分离器件，其采用上述复合功能光固化墨水，通过数字光处理（dlp）或面投影微立体光刻（pμsl）技术逐层固化制备而成。所述3d打印核酸分离器件包括手柄区及核酸吸附功能区，所述核酸吸附功能区具有锥形结构、螺纹结构、网格结构、多孔结构或其组合，用于提高核酸吸附与洗脱效率。

21、本发明还提供一种核酸提取方法，将3d打印核酸分离器件置于裂解液中进行核酸吸附，随后转移至洗脱液中实现核酸洗脱，无需磁场、离心设备或自动化提取设备即可完成核酸快速提取。本发明所得核酸样品可进一步应用于聚合酶链式反应（pcr）、凝胶电泳分析及环介导等温扩增（lamp）等分子检测。

22、本发明的有益效果：

23、（1）与申请号cn202010585511.x的专利申请公开的一种基于3d打印微元件的核酸提取系统和方法相比，该方法使用包括聚丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯和聚碳酸酯成分的商业树脂，但未公开墨水的具体组分及配比，难以根据核酸分离需求对墨水配方进行调控和优化。本发明明确公开了以聚乙二醇二丙烯酸酯和甲基丙烯酸为主体、辅以甲基丙烯酸羟乙酯、甘油、光引发剂、光吸收剂及纳米sio2的复合功能光固化墨水的完整配方及配比范围，通过对各组分的功能定位和比例优化，实现了打印性能与核酸分离功能的协同调控。

24、（2）与申请号cn202411467014.4的一种水凝胶核酸分离器件的制备方法相比，其通过将预聚液注入模具并在紫外灯下照射固化成型，该方法的器件形状受限于模具，难以制备具有复杂三维结构的核酸分离器件，且模具成型无法实现高精度微纳结构的构建。本发明采用dlp或pμsl技术逐层光固化成型，可通过数字模型直接构建具有锥形、螺纹、网格、多孔等复杂结构的核酸分离器件，器件结构设计灵活、成型精度高，且无需制作模具，制备流程更为简便高效。

25、（3）本发明通过引入纳米sio2构建有机-无机非均相界面结构，在维持高精度打印能力的同时，进一步提高了3d打印核酸分离器件表面的界面比表面积、润湿性能及分子相互作用能力。纳米尺度粗糙界面的引入增强了核酸与材料表面的界面接触效率，提高了短时间条件下的核酸提取性能。

26、（4）本发明制备的3d打印核酸分离器件具有良好的打印精度、机械稳定性及抗溶胀性能，可满足复杂液相环境下的重复使用需求。无需磁场、离心设备或自动化提取设备即可完成核酸快速提取，显著降低了实验设备依赖性与操作复杂度，具有成本低、操作简单、便携性好及适用于资源受限环境等优点。所得核酸样品纯度较高，可直接应用于pcr、凝胶电泳及环介导等温扩增（lamp）等下游分子检测，在病原快速检测、现场分子诊断及基层医疗检测等领域具有良好的应用前景。