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中科院携手上交大研发蜘蛛丝绿色生物光刻胶

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DeepTech深科技 2021-10-14 21:54

在人类漫长的发展史中,有许多有关蜘蛛丝的神话,如《西游记》中的蜘蛛精用蜘蛛网编织成盘丝洞,不仅可以捕捉自然昆虫等生物,甚至还能作为唐僧师徒的“囚笼”。《西游记》作者吴承恩对“蜘蛛网”的神奇设计,从现代科学角度来讲,或许具有一定理论依据。

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图|有关蜘蛛网的神话(来源:Pixabay)

蜘蛛丝蛋白强度高、韧性强等独特的结构特征,使其在光刻胶材料领域具有潜在的应用前景,蜘蛛丝蛋白还被认为是 “自然界中力学强度最好的生物材料”。蜘蛛丝中的所含的蜘蛛丝蛋白,是由β-折叠和富含脯氨酸的α-螺旋组成的半结晶状态分子弹簧结构。

受蜘蛛丝蛋白独特结构的启发,中国科学院上海微系统所陶虎研究员携手上海交通大学夏小霞、钱志刚教授团队将重组蜘蛛丝蛋白应用于光刻领域,通过控制电子束的加速电压、剂量等,结合基于百万量级电子的仿真模拟,开发出纳米精度的电子束三维光刻技术。

“我们团队通过调控电子束在光刻胶分子网络中的穿透深度、停留位置、能量转移等,实现了分辨率达到 14 纳米的电子束三维纳米直写,较现有技术精度提升了 1 个数量级。” 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎表示。

图|高精度三维纳米直写技术与当前其他加工方法的对比(来源:陶虎)

该研究不仅可以为智能微纳感知器件提供三维纳米直写加工方法与绿色生物光刻胶,还可以为类器官芯片提供可高度重建细胞微环境的仿生纳米支架,甚至为个性化治疗中药物的精准递送提供各种环境刺激响应型的可降解纳米机器人[1]。

8 月 26 日,相关论文以《用蜘蛛丝作为光刻胶优于 15 nm 分辨率的三维电子束光刻技术》(3D electron-beam writing at sub-15nm resolution using spider silk as aresist)为题发表在 Nature Communications 上。

图|相关论文(来源:Nature Communications)

该论文由中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎、上海交通大学生命科学与技术学院教授夏小霞担任共同通讯作者,中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员秦楠为第一作者。

图|该论文共同通讯作者陶虎(来源:陶虎)

该团队认为,这项研究成果最大的优势在于,科学家可以在分子级精度下直接写出三维纳米结构,而丝蛋白又可以通过基因工程技术赋予其诸如可发射荧光,以及对光、热、酸碱度敏感进而降解的额外特性。因此,可进行四维丝蛋白功能纳米器件的直接加工。

历时 3 年,成功实现对丝蛋白的三维纳米直写

传统光刻胶在光刻过程中,由于经常使用化学试剂作为溶剂和显影液,会对环境造成污染。并且,其生物相容性并不理想,也不利于与人体集成的生物医学领域应用。

在这样的背景下,陶虎团队希望着力开发基于丝蛋白的绿色生物光刻胶,并研究与之匹配的高分辨光刻技术,制作高精度的功能纳米器件,以满足应用场景中的实际要求。

据悉,该团队早在 2016 年,就开始对蚕丝蛋白光刻机理的研究。陶虎表示,当时团队注意到,从天然蚕茧中提取的蚕丝蛋白,由于无法精确控制其分子尺寸,在提升光刻分辨率时面临困难,从而将注意力转移到基因重组蜘蛛丝蛋白。

图|基因重组蜘蛛丝蛋白的三维电子束光刻流程(来源:陶虎)

此后,该团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚教授合作,通过基因编辑技术精准定义重组蜘蛛丝蛋白的分子结构并赋予新的功能,利用大肠杆菌来规模化制备。

2018 年,该团队成功用电子束和离子束结合的方式来加工丝蛋白三维纳米结构。然而,这需要使用两种加工设备,在图形切换和曝光对准中有许多挑战,同时由于高能离子的引入,不可避免地会使蛋白损伤或者造成污染。因此,该团队重新聚焦于电子束光刻的研究,探索将其高分辨加工能力由二维平面提升至三维立体空间。

经过 3 年的努力,该团队在蜘蛛丝蛋白材料设计与批量制备、电子束纳米尺度下三维曝光控制、以及可载药、可驱动、可降解的四维功能纳米机器人方面取得突破。

图丨陶虎团队(来源:陶虎)

陶虎认为,“整个成果是在光刻新材料、光刻新技术方面的协同创新基础上完成的,两者相辅相成,缺一不可。”

这种容易功能化且具有高保真度的三维纳米结构加工技术,为开发一类基于蛋白质的仿生、生物相容、可运动、可降解的四维纳米机器人提供了更多的可能性。陶虎举例说道:“在精准医疗中的药物靶向递送方面具有较大应用前景,功能化的纳米鱼就是典型的例子。”

图|基于蜘蛛丝蛋白的对光、热、酸碱响应的可降解纳米鱼(来源:Nature Communications)

为了确定运动方向,该团队采用不同电子束剂量照射纳米鱼的特定部位,对所携带酶的活性进行调节,从而产生适当的梯度力,控制纳米鱼前后、左右、顺时针或者逆时针运动。

在触发和释放方面,纳米鱼能够运输多种对环境响应的活性成分,如对光敏感的金纳米壳、对温度或 pH 敏感的酶等,然后对其分别进行光照、温度调节或 pH 调节来激活纳米鱼的降解,进而可控释放所携带的药物。

陶虎表示,在近红外光照射下,负载金纳米壳的纳米鱼表现出比背景更强的红外吸收并产生热量。随着温度从 20℃ 提高到 50℃,木瓜蛋白酶被激活,在 50- 60℃ 温度下,促使蜘蛛丝蛋白降解。

在 15 纳米分辨率下实现对光刻胶的三维电子束直写

伴随着光刻胶材料开发的进一步深入,很多实际应用从微流体、衍射光学、光子和机械超材料等微/纳米级的三维结构和设备的高分辨率制造中获益。

当光刻胶在深纳米尺度(小于 100 nm)时,光刻材料是否具备规整精细的分子结构、优异的力学强度,光刻过程是否可以突破光学衍射极限、使用更短的曝光波长,是获得边缘锐利、结构稳定不坍塌、高精度纳米图形的关键。

另外,光刻胶是半导体、集成电路制造过程中使用的关键材料,用于将微纳图形由掩膜版转移到基底上,其分辨率是决定芯片集成度与性能的重要因素。

陶虎认为,光刻工艺成本一般占整个芯片加工成本的 1/3,提升光刻胶的分辨率可以在相同面积下集成更多的芯片单元,从而显著提升芯片的运算效能、降低芯片的加工制造成本。

因此,如何提升光刻胶材料的分辨率,以满足更小线宽加工的工艺要求显得尤为重要。

一方面,就光刻胶材料而言,可以通过优化、设计光刻胶的分子结构,如控制其分子链长度、均一性等。陶虎解释说:“这里光刻胶分子就好像盖房子用到的石子,石子本身越小、相互之间匹配度越高,才有可能获得表面平整又结实稳固的房子。”

另一方面,需要在光刻技术领域进一步探索,选用波长更小的曝光源,控制在更小的尺度下交联或者解交联光刻胶分子,获得加工分辨率的提升。

由于电子束具备极小的等效波长,不像其他光刻中使用的激光等易受到光学衍射极限的影响,其二维光刻分辨率已经可以达到分子量级。因此,研究人员专注于将传统的电子束光刻二维加工能力扩展到真三维纳米直写领域。同时,利用基因工程技术合成重组蜘蛛丝蛋白,为高分辨纳米光刻提供高质量的光刻胶材料。

图|重组蛛丝蛋白三维 EBL 的机理、材料和制备参数优化(来源:Nature Communications)

通过在基因层面编辑重组蜘蛛丝蛋白的分子结构或者以直接掺杂的方式,可以赋予蜘蛛丝蛋白更多的功能特性,例如修饰了 RFP(红色荧光蛋白)后,蜘蛛丝蛋白在紫外灯照射下可以发射红色荧光;在与荧光染料混合后,可以呈现出绿色荧光等。在合理设计和实际应用的推动下,可以从不同维度对材料进行重新赋能,这为利用三维电子束光刻制造异质、异构的蜘蛛丝蛋白功能纳米器件创造了条件。

图|基于功能化重组蜘蛛丝蛋白的异质、异构、生物仿生三维纳米器件(来源:Nature Communications)

该团队致力于将丝蛋白从传统纺织材料转化为高科技、高附加值的医用材料和信息功能材料,把丝蛋白制作成各式各样的植入式可降解医疗器械、智能传感器件、生物硬盘等。

在这项研究中,他们通过减小这些装置的特征尺寸,将敏感结构由二维提升至三维,可以有效增强其工作性能。

专注生物与信息交叉融合技术研究,1 至 3 年有望实现规模化应用

2003 年,陶虎从中国科技大学精密仪器与精密机械系本科毕业,随后来到美国塔夫茨大学生物医学工程系,先后从事博士后和助理研究教授工作,2014 年回国发展。他一直长期从事生物与信息交叉融合技术研究,专注信息科学、材料科学以及生命科学等领域的前沿科技探索。

并且,陶虎在脑机接口、智能传感器、人体可集成瞬态可溶电子/光学/光电子器件、生物存储、生物微纳加工和蚕丝蛋白植入式医疗器械等研究颇深。此次与上海交通大学夏小霞、钱志刚教授的合作,团队敢于跳出传统思维,不拘泥于现有技术;在客观科学论证的基础上,更不畏失败,持之以恒,通过多学科交叉融合,最终取得重要突破。

该研究成果将为集成化智能微纳感知器件提供三维纳米直写加工方法与绿色生物光刻胶,为类器官芯片提供可高度重建细胞微环境的仿生纳米支架,以及为在个性化治疗中药物的精准递送方面生产各种环境刺激响应型可降解纳米机器人。

陶虎认为,该技术距离大规模应用计划在 1 至 3 年实现。

另据悉,该团队下一步将重点开发适用于不同应用场景的系列生物蛋白光刻胶,建立三维电子束纳米直写的标准化工艺流程,实现相关技术在 MEMS、临床医学、生物信息融合领域的应用。

参考:

[1] Nan Qin,Zhi-Gang Qian et al. Nature Communications 12,5133 (2021) https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1

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