加工精度14nm，我国科学家用蛛丝3D打印纳米“鱼”

  中国科学院上海微系统所与上海交通大学联合研发出的这种 3D 纳米机器人有望在智能仿生感知、药物递送等领域发挥巨大的潜力。3D 打印材料是 3D 打印技术发展的重要物质基础，在某种程度上，材料的发展决定着 3D 打印能否有更广泛的应用。人类通过现代技术利用材料（包括天然和合成材料）来寻找新的技术机会，许多新机遇和新发现本质上都植根于制造创新。3D 制造在过去的二十年中得到了深入研究。
       随着材料开发的协同进步，许多应用极大地受益于微 / 纳米尺度 3D 结构和设备的高分辨率制造，例如微流体、折射 / 衍射光学、光子和机械超材料。然而，当特征变得更小，尤其是达到深纳米尺度（即 <100 nm）时，三维制造技术挑战变得更加突出， 分辨率、结构稳定性和形状准确率是关键因素。对于细胞支架和治疗性微 / 纳米机器人等生物医学应用来说，需要系统地评估 3D 制造结构的生物相容性、物理化学稳定性和功能化的难易程度。
       近期，中国科学院上海微系统所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚合作，用基因重组的蜘蛛丝蛋白 3D 打印出纳米机器人，加工精度达到 14 纳米。相关研究成果发表在国际知名学术期刊《自然 · 通讯》上。具体而言，该研究团队创新开发了基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，通过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，实时控制加速电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写。该技术加工精度可达 14nm，接近天然丝蛋白单分子尺寸（~10 nm），较之前技术提升了 1 个数量级。

   这一技术有望用于智能仿生感知、药物递送纳米机器人等领域。陶虎表示，「14 纳米相当于蜘蛛丝蛋白单个分子的尺寸，已经迫近了精度极限。」




论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1

其中 3D 打印所需的蜘蛛丝蛋白，是研究人员从天然蜘蛛丝中提取出的一段强度好且重复性好的基因序列，进而放入大肠杆菌中进行培养。此外，研究人员使用电子束进行三维光刻来进一步提高加工精度。相对传统电子束光刻用高电压（几十 kV）和薄胶（几十纳米）以保证光刻的准直度和分辨率，该研究从低电压（几 kV）和厚胶（几微米）入手研究。

因为要在血液等环境中游动，纳米机器人被设计成了鱼的形状，可以在人体血糖环境中游动，当环境达到设定的酸碱度等条件就能自动降解，释放出药物。




通过基因工程重组蜘蛛丝蛋白，可以在纳米尺度上创建任意高分辨率、高强度的三维结构。通过在 3D 蛋白质基质不同深度使用高能电子定量定义结构转变的能力，可以使多态性蜘蛛丝蛋白质接近分子水平。此外，蜘蛛丝蛋白的遗传或介观修饰提供了将物理化学、生物功能嵌入和稳定在所制备的三维纳米结构中的机会。该研究所用方法能够快速灵活地制造异质功能化和分层结构的 3D 纳米组件和纳米设备，为仿生学、治疗设备和纳米机器人提供了机会。

对于这项研究，网友不禁感叹：科幻逐渐在变成现实。


技术解读

实验设置和制造能力

电子束光刻（Electron beam lithography, EBL）以提供深纳米尺度的加工分辨率而闻名。当前，EBL 技术的一个主要限制是它们没有能力进行任意 3D 纳米加工。其中，分辨率、结构完整性和功能性等都是最重要的因素。

在深纳米尺度上实现 3D EBL 的关键是：开发出既可以通过电子束在不同可控深度下进行交联（cross-link），又具有卓越机械强度且在纳米尺寸上保持良好结构完整性的合适材料。在这项工作中，研究者对商用 EBL 工具——Hitachi S-4800 型扫描电镜进行了修改，从而可以在曝光期间根据不同的结构几何来自适应地调整加速电压（通常为 0.5–10 kV），具体如下图 1a 所示。

接着，他们通过基因工程将合成重组蛛丝蛋白作为抗蚀剂，将纯水作为抗蚀剂显影剂。具有精确定向的非结晶（水溶）和结晶（不溶于水）蛛丝之间的结构转变进行明确定义，接近蛋白质基质内的分子水平。定义曝光点的电子的轨迹由施加的加速电压来调节，从而使得 3 D 纳米制造具有很高的结构复杂度。通过这种方法，研究者使用重组蛛丝蛋白制造了一系列具有不同几何和结构复杂度的 3D 复杂纳米结构，其中最小特征尺寸为 14.8nm，具体如下图 1j 所示。



将重组蛛丝蛋白作为抗蚀剂的 3D EBL。

这种方法结合了 MPL（多光子光刻）的无掩模直接 3D 书写和 EBL 的无可比拟光刻分辨率的优势。此外，对重组蛛丝蛋白的基因或介观修改为在制造的纳米结构中嵌入和稳定生物化学和 / 或生物功能提供了机会，从而为生物适应和整合提供了巨大的潜力。

制造机理和材料优化

研究者交替观察了低加速电压（≤10 kV）电子与厚层抗蚀剂（以μm 计）之间的交互作用，这在以前很少被探究，并且是成功地将 EBL 现有能力从 2D 纳米图案扩展至 3D 纳米制造的关键。

电子的弹性散射具有相对较大的散射，但能量转移可以忽略不计。相比之下，电子的非弹性散射具有较小的散射角度，并且可以将一部分能量转移至抗蚀剂且导致抗蚀剂曝光，如下图 2a 所示。众所周知，非结晶蚕丝和蛛丝蛋白（水溶性）通过与能量电子的交互而产生交联，然后转变为结晶相（不溶于水）以实现纳米图案化。




重组蛛丝蛋白中 3D EBL 的机理、材料和制造参数优化。

在这种情况下，研究者首先使用基于 Casino Monte Carlo 模拟程序修改的自定义代码来模拟电子的轨迹以及电子和抗蚀剂之间的能量转移，以探究 3D 空间中电子 - 蛋白质的交互作用，如上图 2b 所示。

接着，研究者表征了电子辐射后丝蛋白的结晶化以及与书写方向的关系，结果发现结晶程度高度依赖书写方向（x–y）。最后，也是最重要的，与具有类高斯分布的分子量的自然收获的丝蛋白相比，实验室制造的重组蛛丝具有定义良好的分子量，并且更适用于纳米级的高精度图案化，从而在分辨率、对比度和长宽比等方面较以往蚕丝蛋白的光刻性能大大增强。

功能性重组蛛丝蛋白的异质、分层和仿生 3D 纳米结构

重组蛛丝蛋白的基因或介观修改可以赋予 3 D 纳米组件和纳米器件不同的功能。得益于合理的设计和独创性，蛛丝可以从不同的角度进行重组，并且 3D 纳米结构的组成、形状和功能能够得到很好地配置。这就为使用 3D EBL 制造的功能性重组蛛丝蛋白中构建异质、分层的纳米结构提供了可能。
下图 3 为使用功能性重组蛛丝蛋白制造的异质、分层和仿生 3D 纳米结构：



生物燃料驱动、酶辅助的 3D 纳米机器人

创建具有高保真度和易使用的复杂 3D 纳米结构的能力，为开发用于治疗有效负载靶向制剂的仿生、生物相容、生物活性和生物降解的纳米机器人提供了可能。

纳米鱼的功能性在单个设备中包含三个重要特征。对于装置推进（device propulsion），葡萄糖氧化酶（GOX）和过氧化氢酶（catalase）这两种酶嵌入并稳定在 3D 纳米鱼中，从而使得含葡萄糖环境中的生物燃料驱动的气体推进达到人体生理水平，如下图 4a 所示。

对于定向运动控制，研究者在纳米鱼的特定区域施加了不同剂量的电子辐射，以调整整个装置的酶活性，从而产生适当的力梯度和不同的运动（如向上、向下、向左、向右以及顺逆时针），如下图 4b 所示。

此外，纳米鱼中的浅绿色、亮绿色和深红色荧光分别代表动力学中的低功率、全功率和损耗功率状态。对于释放触发，纳米鱼可以轻松装载治疗分子以及金纳米粒子、热敏或 pH 敏感酶（如木瓜蛋白酶或胃蛋白酶），从而用于光敏、温调或 pH 调药物释放，如下图 4c 所示。



使用 3d EBL 制造的生物燃料驱动的酶辅助蜘蛛丝纳米鱼