用基因重組的蜘蛛絲蛋白作為光刻膠，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)別精度的真三維納米功能器件直寫(xiě)，該技術(shù)加工精度可達(dá)14nm，較之前技術(shù)提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

以上結(jié)果來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)夏小霞、錢(qián)志剛團(tuán)隊(duì)。三維制造在過(guò)去二十年中得到了深??入研究。隨著材料開(kāi)發(fā)的協(xié)同進(jìn)步，許多應(yīng)用極大地受益于微米、納米尺度三維結(jié)構(gòu)和設(shè)備的高分辨率制造，如微流體、折射/衍射光學(xué)、光子超材料和機(jī)械超材料。

當(dāng)尺度更小、到深納米尺度（即小于100nm）時(shí)，材料和制作技術(shù)的挑戰(zhàn)更加突出。其中，分辨率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和精度是關(guān)鍵因素。對(duì)于細(xì)胞支架和治療性微/納米機(jī)器人等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，需要系統(tǒng)地評(píng)估3d制造結(jié)構(gòu)的生物相容性、物理化學(xué)穩(wěn)定性和功能化的難易程度。

制造三維結(jié)構(gòu)可以使用光刻方法（如多光子無(wú)掩模光刻和掩模投影立體光刻），將合成樹(shù)脂和角蛋白、絲素蛋白和絲膠等作為光刻膠。

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是一種在光照后能具有抗蝕能力的高分子化合物，用于在半導(dǎo)體基件表面產(chǎn)生電路形狀，是芯片制造的重要材料。提升光刻膠的分辨率是發(fā)展集成電路與芯片先進(jìn)制造工藝的重要途徑，而光刻膠的分子組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、機(jī)械性能與其光刻分辨率密切相關(guān)。

電子束光刻精度極高，通常是二維微納加工獲得最小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工具，將電子束光刻的能力拓展到真三維微納加工是研究者長(zhǎng)久以來(lái)努力的方向。

歷史上，電子束光刻用高電壓（25千伏以上）和薄膠（不超過(guò)100納米）以保證光刻的準(zhǔn)直度和分辨率。

之前，研究團(tuán)隊(duì)將電子束光刻和離子束光刻結(jié)合在絲蛋白中制造簡(jiǎn)單的二維和三維納米結(jié)構(gòu)，而離子束光刻技術(shù)不可避免地蝕刻頂層并可能造成離子污染。三維納米制造技術(shù)仍存缺陷，包括光刻分辨率和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性之間的先天矛盾，以及功能化的限制。因此，材料和制造技術(shù)方面的新戰(zhàn)略與創(chuàng)新還有待探索。

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所

此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)水系基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，整個(gè)光刻過(guò)程中僅使用純水作為溶劑和顯影液，防止產(chǎn)生化學(xué)污染。

研究團(tuán)隊(duì)從低電壓（10千伏以下）和厚膠（微米數(shù)量級(jí)）入手，結(jié)合基于百萬(wàn)級(jí)數(shù)量電子的大規(guī)模仿真模擬，實(shí)時(shí)控制加速電壓調(diào)控電子在絲蛋白光刻膠里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)別精度的真三維納米功能器件直寫(xiě)。

該技術(shù)加工精度可達(dá)14nm，接近天然絲蛋白單分子尺寸（約10nm），較之前技術(shù)提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究者表明，所制的三維納米結(jié)構(gòu)繼承了蜘蛛絲的優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。該三維納米結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性，可以通過(guò)生物或化學(xué)方式進(jìn)行功能化，實(shí)現(xiàn)可載藥、可驅(qū)動(dòng)、可降解的4D納米功能器件（時(shí)空可變形），在智能仿生感知、藥物遞送納米機(jī)器人、類器官芯片等研究領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用前景。

作為概念驗(yàn)證，研究者設(shè)計(jì)制造了一種新型納米機(jī)器人，它能在液體環(huán)境中進(jìn)行受控運(yùn)動(dòng)，由人體生理水平的生物燃料提供動(dòng)力，并通過(guò)光/酸堿度/熱觸發(fā)降解來(lái)控制設(shè)備壽命。

相關(guān)研究成果以“3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist”（使用蜘蛛絲作為光刻膠以亞15nm 分辨率進(jìn)行三維電子束光刻”）為題于2021年8月26日發(fā)表在《自然-通訊》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1#Sec2