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

以上結(jié)果來自中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎團隊與上海交通大學(xué)夏小霞、錢志剛團隊。三維制造在過去二十年中得到了深??入研究。隨著材料開發(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)、光子超材料和機械超材料。

當(dāng)尺度更小、到深納米尺度（即小于100nm）時，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。對于細(xì)胞支架和治療性微/納米機器人等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，需要系統(tǒng)地評估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（如多光子無掩模光刻和掩模投影立體光刻），將合成樹脂和角蛋白、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久以來努力的方向。

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

之前，研究團隊將電子束光刻和離子束光刻結(jié)合在絲蛋白中制造簡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。

圖片來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所

此項工作中，研究團隊通過優(yōu)化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，創(chuàng)新開發(fā)水系基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，整個光刻過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。

研究團隊從低電壓（10千伏以下）和厚膠（微米數(shù)量級）入手，結(jié)合基于百萬級數(shù)量電子的大規(guī)模仿真模擬，實時控制加速電壓調(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，實現(xiàn)了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫。

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個數(shù)量級。

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)異機械強度和結(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，可以通過生物或化學(xué)方式進(jìn)行功能化，實現(xiàn)可載藥、可驅(qū)動、可降解的4D納米功能器件（時空可變形），在智能仿生感知、藥物遞送納米機器人、類器官芯片等研究領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用前景。

作為概念驗證，研究者設(shè)計制造了一種新型納米機器人，它能在液體環(huán)境中進(jìn)行受控運動，由人體生理水平的生物燃料提供動力，并通過光/酸堿度/熱觸發(fā)降解來控制設(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