生物靈感的三維納米光刻！脂質(zhì)墨水?dāng)U散抑制原理創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)

來源： EFL生物3D打印與生物制造

3D打印小型化器件和納米級結(jié)構(gòu)是當(dāng)今納米制造的主要挑戰(zhàn)之一。復(fù)雜的光子器件，自旋電子學(xué)，傳感，再生醫(yī)學(xué)，細(xì)胞工程或細(xì)胞命運(yùn)控制代表了需要在納米尺度上創(chuàng)建活性結(jié)構(gòu)單元的不同領(lǐng)域的突出例子。盡管通過不同的技術(shù)(特別是著名的光刻和電子束光刻)，金屬納米結(jié)構(gòu)的2D光刻已經(jīng)非常完善，但創(chuàng)建具有任意形狀的微/納米級3D金屬結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，來自西班牙馬德里材料科學(xué)研究所的Eider Berganza和德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Michael Hirtz使用流體相磷脂墨水蘸筆納米光刻結(jié)構(gòu)的構(gòu)建塊，遵循依賴于墨水?dāng)U散抑制的生物啟發(fā)方法，提出了兩個(gè)過程來構(gòu)建2D和3D金屬結(jié)構(gòu)。血清白蛋白是一種被廣泛使用的蛋白質(zhì)，具有與生俱來的與脂質(zhì)結(jié)合的能力，在這兩個(gè)過程中都是關(guān)鍵。在脂類寫入之前用它覆蓋樣品表面，將脂類錨定在襯底上，這最終允許創(chuàng)建高度穩(wěn)定的基于脂類的3D支架來構(gòu)建金屬結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文“3D Nanolithography by Means of Lipid Ink Spreading Inhibition”于2022年12月20日發(fā)表于雜志《Small》上。

基質(zhì)的功能化對于控制油墨擴(kuò)散至關(guān)重要。表面經(jīng)常使用帶有非極性頭部基團(tuán)的預(yù)涂覆自組裝單分子膜，以防止脂肪在表面擴(kuò)散。另一方面，血清白蛋白-哺乳動(dòng)物血漿中含量最豐富的蛋白質(zhì)之一，具有小尺寸、高穩(wěn)定性和非反應(yīng)性，通常用于免疫組織化學(xué)分析。鑒于牛血清白蛋白(BSA)可以被吸附在不同的表面并仍然保持其結(jié)合部位的生物活性，使用它來調(diào)整底物的屬性，并實(shí)現(xiàn)脂質(zhì)錨定行為，以防止在L-DPN期間和之后脂墨的擴(kuò)散(圖1a)。被選作光刻油墨的DOPC磷脂如圖1b所示。在制備了BSA涂層的硅襯底(晶體結(jié)構(gòu)如圖1c所示)后，測量了水的接觸角(圖1d)，顯示出溫和的親水性(47±2°)。原子力顯微鏡(AFM)測量證實(shí)，表面完全覆蓋了球形的BSA蛋白(圖1e)，并顯示出低于2 nm的粗糙度。

圖1 (BSA)涂層表面的脂質(zhì)書寫

1. 2D光刻：使用脂質(zhì)作為光刻掩膜
書寫測試和比較獲得的脂質(zhì)貼片的厚度表明，與其他功能化基質(zhì)相比，這些涂覆牛血清白蛋白的基質(zhì)上確實(shí)具有明顯更高的結(jié)構(gòu)。這可以歸因于阻止脂質(zhì)的擴(kuò)散，因?yàn)槭聦?shí)證明，堆積在其他磷脂分子上比擴(kuò)散到BSA包被的底物區(qū)域在能量上更有利。這一特性使得能夠?qū)懭牒竦娜我庑螤畹闹�質(zhì)塊(例如，對于標(biāo)準(zhǔn)寫入條件，即40%RH，1 μm s-1寫入速度，200 nm厚的寫入條件)，將它們用作掩模，并繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的納米光刻步驟，將脂質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成任何所需的材料。提出了一種兩步光刻工藝，其中脂質(zhì)在物理氣相沉積(PVD)期間用于保護(hù)表面區(qū)域，并在剝離過程后產(chǎn)生模具，隨后是第二次PVD和剝離步驟(參見圖2a-f上的步驟)。

圖2 圖示所提出的2D光刻工藝

例如，使用L-DPN在BSA功能化表面上寫入20 × 20 µm DOPC正方形，如圖2g所示。為了創(chuàng)建一個(gè)模具結(jié)構(gòu)(“負(fù)”光刻)，在含有脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的樣品上蒸發(fā)一個(gè)鉻/金(3 nm/ 20 nm)犧牲層，不久之后，通過丙酮超聲樣品15分鐘將脂質(zhì)剝離，這溶解了脂質(zhì)結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)下面的部分牛血清白蛋白。圖2h顯示了在這一步之后創(chuàng)建的模具。然后在模具頂部濺射一層薄鎳膜，以填充空心結(jié)構(gòu)，另一層3nm Cr緩沖層以確保粘附(圖2i)。最后，在乙醇中超聲30 min將犧牲的Cr/Au層剝離(圖2j)。在去除犧牲層(Au)的第二次剝離過程中(圖2f，j)，在溶劑中的超聲作用導(dǎo)致了鉻和Au層的剝離。

2. 3D光刻
為了將L-DPN的功能從二維擴(kuò)展到三維，作者測試了圖案化磷脂層的厚度如何通過光刻參數(shù)以可控的方式改變。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，隨后使用相同的新涂覆的探針在涂有BSA的襯底和原始的硅襯底上進(jìn)行了脂質(zhì)的打印(見圖3a-d)。隨著寫入速度的增加，在保持相對濕度恒定為40%的情況下，對四條線進(jìn)行圖案化。正如預(yù)期的那樣，原始硅上的圖案化產(chǎn)生了在較慢的寫入速度下增加寬度和大致相同厚度的線條的形成(圖3d)，這是由于更大的分子流動(dòng)轉(zhuǎn)移到襯底和隨后的擴(kuò)散。相比之下，在涂有BSA的表面上，寫入速度的降低導(dǎo)致線條厚度顯著增加(圖3b)，與原始硅上的圖案相比，增加了一個(gè)數(shù)量級。因此，通過調(diào)節(jié)寫入?yún)��?shù)，即寫入速度和相對濕度，可以控制寫入的類脂特征的厚度，并且可以以3D方式圖案化結(jié)構(gòu)。

為了探索可實(shí)現(xiàn)的特征線大小，通過掃描相對濕度和在涂有牛血清白蛋白的襯底上的寫入速度進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。獲得的結(jié)果顯示在圖3e，f所示的圖表中。

圖3 參數(shù)可控的3D脂類寫入

在寫入過程中原位調(diào)整脂線的厚度后，作為生成3D結(jié)構(gòu)的一種方式，作者開始探索用于脂類系統(tǒng)的納米級添加劑制造工藝。這里的問題是，脂層是否可以連續(xù)地寫在彼此的頂部(如圖4a所示)。為此，不同的結(jié)構(gòu)被圖案化到涂有BSA的襯底上，線條或其他幾何形狀(正方形、圓周或圓形)直接寫在正方形脂質(zhì)圖案(圖4b)的頂部，形成2或3層結(jié)構(gòu)。圖4C、D所示的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)說明了線條的厚度是如何隨著每次重復(fù)而增加的。這在第一次重復(fù)時(shí)發(fā)生的范圍更大，但隨著重復(fù)次數(shù)的增加，所獲得的厚度似乎更接近飽和值。綜上所述，實(shí)驗(yàn)證明了在L-DPN中逐層寫入生成3D結(jié)構(gòu)的可行性。這種脂上的脂結(jié)構(gòu)在室溫下令人驚訝地保持幾天的穩(wěn)定性，因?yàn)橐郧暗难芯勘砻�，圖案化的脂容易擴(kuò)散到親水性表面或碳?xì)滏湹捻敳俊?br />

圖4 添加劑-脂質(zhì)層制造

圖5顯示了一個(gè)使用“點(diǎn)密度”方法打印的更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的示例:使用點(diǎn)位圖繪制的象形結(jié)構(gòu)。點(diǎn)密度越高，脂質(zhì)區(qū)域越厚，最終得到3D結(jié)構(gòu)。然而，DOPC磷脂分子在室溫下形成液相脂質(zhì)斑塊，這降低了其在許多應(yīng)用中的實(shí)用性。因此，探索了PVD金屬化方法，作為固定脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種方法。所提出的流程如圖5a所示。因此，樣品上蒸發(fā)了20 nm的Au薄膜，形成了現(xiàn)在的金屬化結(jié)構(gòu)(見圖5c-e中金屬化步驟前后的樣品形貌)。利用原子力顯微鏡(AFM)對蒸發(fā)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，以跟蹤Au沉積過程中發(fā)生的變化。圖5d,f中顯示的AFM圖像和輪廓顯示，盡管脂質(zhì)斑塊遭受了高碰撞能量，但結(jié)構(gòu)的整體形狀保持不變。值得注意的是，在此過程中脂質(zhì)結(jié)構(gòu)未被破壞，并獲得了橫斷面SEM圖像(圖5b)。掃描電鏡圖像也顯示了蒸發(fā)過程后產(chǎn)生的粗糙度�？傊�，控制這些參數(shù)可以在納米/微米尺度上制造3D結(jié)構(gòu)，并證明這種方法可以擴(kuò)展到復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的制造及其在器件小型化中的應(yīng)用。

圖5 3D脂結(jié)構(gòu)金屬化

在過去的十年中，脂膜圖形化的進(jìn)展產(chǎn)生了不同的應(yīng)用，從生物傳感器到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的功能化或光學(xué)結(jié)構(gòu)的納米制造。在目前的工作中，作者提出了兩種方法，利用脂質(zhì)直接寫入L-DPN打印金屬2D和3D納米結(jié)構(gòu)。雖然在納米尺度上控制打印過程結(jié)果的典型重點(diǎn)依賴于墨水的設(shè)計(jì)，但以一種將墨水分子固定在打印表面的方式來研究承印物的特性。作者研究證明，通過利用BSA蛋白(在底物上)和磷脂(作為墨水)之間的強(qiáng)結(jié)合，可以進(jìn)行簡便的過程來創(chuàng)建任意形狀和材料的2D結(jié)構(gòu)，不需要特殊的基礎(chǔ)設(shè)施，如潔凈室或昂貴的光刻設(shè)備，電子束光刻。此外，通過寫入?yún)��?shù)控制寫入時(shí)的厚度維度或?qū)崿F(xiàn)逐層寫入過程，L-DPN的寫入能力從2D擴(kuò)展到3D。在低壓條件下和高能過程(如PVD)中，磷脂斑塊的完整性非常高，并在手稿中顯示的整個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到了證明。總而言之，這項(xiàng)工作推動(dòng)了低成本納米制造的極限，引入了一種原始的生物靈感方法來創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)。

文章來源：https://doi.org/10.1002/smll.202205590