氧化石墨烯（GO）作为一种二维石墨烯衍生物，因其表面富含羧基、环氧基和羟基等含氧官能团而具备优异的亲水性和溶液分散性，可通过经济高效的氧化剥离工艺制备。然而，GO单层结构的高柔韧性使其难以直接构建稳定的三维宏观结构，限制了其在生物医学领域的进一步应用。

针对这一挑战，来自成均馆大学、延世大学、中央大学、香港理工大学等联合研究团队提出了一种基于马兰戈尼效应的创新策略，通过调控GO悬浮液的乙醇浓度、颗粒尺寸、溶液pH值及黏度等参数，在锥形聚合物微孔中实现可控对流与溶剂蒸发，从而制备自支撑的波浪形氧化石墨烯模块化锥形管（GMTPs）。该技术突破了传统模板法的限制，为组织工程和生物芯片提供了可规?；慕饩龇桨?。相关研究以“Fabrication of Free-Standing Undulating Graphene Oxide Modular Tapered Pipes Using the Marangoni Effect”发表在国际期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上。

①马兰戈尼效应调控与GMTP形成机制

马兰戈尼效应由表面张力梯度驱动，是GMTP结构形成的核心机制。实验采用深度250 μm、入口直径500 μm、底部收窄至350 μm的PDMS锥形微孔，注入含20 wt%乙醇的GO悬浮液（0.7μL）。在25℃静置蒸发过程中，乙醇优先挥发会引发液膜曲率增大，随即推动GO碎片向微孔底部堆叠，最终形成锥形管状结构。此过程分为三个阶段：初始对流期（乙醇蒸发驱动GO碎片聚集）、种子膜形成期（微孔入口处形成环状薄膜引导后续沉积）、咖啡环效应期（底部低浓度悬浮液向侧壁迁移完成成膜）。

实验表明，乙醇浓度70 wt%可维持最佳表面张力梯度，浓度低于30 wt%或高于99.9 wt%均导致对流失效；GO碎片尺寸需控制在1000–1700 nm（pH 7.0，ζ电位-31至-35 mV），尺寸过?。?lt;800 nm）或过大（>2000 nm）分别会引发过度或不足的马兰戈尼效应；温度25℃平衡蒸发速率（0.56 μg/s），避免高温导致的过度对流。

因此，乙醇浓度、蒸发温度、GO碎片尺寸及溶液pH值必须严格控制在范围内才能成功构建三维GMTP结构。任一参数偏离区间均会导致问题出现，不仅降低制备效率，更可能直接导致三维结构构建失败。

图1. 马兰戈尼效应的程度取决于GO悬浮液的特性和GO基几何结构的相关形态。

②黏度对自支撑结构的决定性作用

悬浮液黏度（η）是GMTP结构稳定性的核心影响因素。通过拉曼光谱分析发现：合适黏度（η?）对应500 mg/mL悬浮液，可形成高度500 μm、均匀附着侧壁的完整GMTP；高黏度（>η?）导致GO碎片在入口过度聚集，液膜曲率不足导致薄膜成型困难，形成短厚环状结构；低黏度（<η?），GO碎片仍无法充分聚集，这导致薄膜难以在微孔侧壁形成——由于乙醇蒸发使悬浮液浓度升高、黏度增大，最终仅在底部形成短小的杯状GMTP结构。与传统模板法对比验证所得，通过创新整合马兰戈尼效应与黏度调控，可实现传统方式无法制备的高精度微结构。

图2. 基于GO悬浮液黏度的GO几何结构拉曼层析成像。

③波浪形结构设计提升机械性能

通过对聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔进行多方向的简单物理操作（拉伸与弯曲），可实现结构恢复。这一过程生成了具有管状架构的GMTP模块，其一端内径更窄（图3b）。该方法实现了自支撑GMTP的大规模生产，单块微孔基底可制备约215个GMTP?？椋票感蚀?6%。基于长度、内径与外径的模具精度测量误差为±6.25 μm。

为探索量产GMTP的?？榛绷?，将其组装成纯氧化石墨烯（GO）的延伸管状结构（图3c）。通过导线引导的微流控系统，可通过调整堆叠模块数量控制GMTP组装长度（图3d）。研究团队基于摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度：2 μm），选用耐候性工程树脂（RG）打印高精度锥形微孔阵列母模，并通过PDMS翻模工艺制备了微孔阵列模板。随后为增强?？榛樽暗奈榷ㄐ?，在微孔侧壁构建周期性波浪结构（波长10 μm）。该设计显著提升GMTP的机械性能：单?？樵?0%湿度下承受轴向压缩比0.3后恢复率>95%，而湿度低于60%时结构坍塌；波浪形结构使10个模块可紧密堆叠为内聚性长管，重叠区厚度增至2.5±0.62 μm，流体测试（1–10 mm/s流速）证实其耐受生理级粘度（3 mPa·s）且无泄漏。

图3. 单个GMTP微管与组装GMTP微管的结构分析与性能评价。

④组装GMTP管状结构的形状模拟与调控

为拓展GO微管的应用潜力，需赋予其结构灵活性。研究发现，湿润状态下组装的GMTP可变形为多种构型：通过金属导丝可实现弯曲或扭曲塑形，且内径保持稳定（图4a-b）。随着组装?？槭吭黾?，结构形态多样性显著提升——由三个GMTP组装的微管仅能形成线性环状结构，而堆叠超过十个模块则可实现弯曲或扭曲管状构型。

单个GMTP的曲率直接影响组装微管的可弯曲程度。实验结果表明，?？榧漶詈显角?，曲率与长度越小，更多模块组装导致堆叠更紧密；但模块重叠面积存在极限，一旦超过特定组装数量，长度与曲率增幅趋于稳定。通过建立数学模型表明GMTP数量与微管长度/弯曲度的关系，并构建波形最大振幅与波长的预测模型（图4h-i）。对数模型精准拟合了长度、弯曲度与波形频率数据，证明利用量产GMTP?？榭缮杓撇⒅票付嘌墓茏唇峁埂?/p>

图4. 根据装配GMTP?？榈氖?，分析可实现的GMTP结构形式。

⑤生物相容性应用验证

GO因其表面电势特性可强力吸附细胞外基质（ECM）蛋白，显著促进细胞黏附，在细胞和组织图案化以及支架生成方面展现出良好前景。最近，GO已被用于与其他支撑材料构建三维结构，以生成体外组织模拟模型。由GO组成的GMTP保留了这些优势。

通过细胞与动物实验评估GMTP的生物相容用性：人脐静脉内皮细胞（hUVECs）和平滑肌细胞（AoSMCs）在GMTP内表面紧密贴附，11天后汇合度达100%，增殖模式与传统培养板相当；小鼠皮下植入7天后，组织学分析显示无异常炎症或纤维化，血清AST/ALT水平无变化；血液接触实验表明GMTP无促凝风险。CD31与肌动蛋白染色证实，单个GMTP内可构建内皮-平滑肌双层结构，500 μm的管径与人体小动脉匹配，凸显其血管仿生潜力。这些实验都证实了GMTP适用于微流控设备。其机械适应性特性（包括收缩和恢复）以及数百微米直径的管状结构，表明了更广泛的生物应用前景。

图5. hUVECs和AoSMCs在GMTP上的培养结果。

总结：本研究研发了一种基于马兰戈尼对流和黏度调控的氧化石墨烯（GO）三维结构新型制备技术。该技术通过调控制造参数，实现了GO悬浮液蒸发过程中对流运动与薄膜形成的精确控制。通过对关键参数的系统优化，研究团队确定了锥形微孔内GMTP?？樾纬傻淖罴烟跫Ｕ庖煌黄菩苑⑾挚捎行嵘钟蠫O基微管结构制备方法的标准化程度和生产效率。基于马兰戈尼效应的GMTP制造技术有望突破现有GO基三维结构的局限性，通过生物材料应用为组织工程和生物芯片开发提供新的技术路径。