生物靈感的三維納米光刻！脂質墨水擴散抑制原理創(chuàng)建3D結構

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構是當今納米制造的主要挑戰(zhàn)之一。復雜的光子器件，自旋電子學，傳感，再生醫(yī)學，細胞工程或細胞命運控制代表了需要在納米尺度上創(chuàng)建活性結構單元的不同領域的突出例子。盡管通過不同的技術(特別是著名的光刻和電子束光刻)，金屬納米結構的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金屬結構仍然是一個挑戰(zhàn)。因此，來自西班牙馬德里材料科學研究所的Eider Berganza和德國卡爾斯魯厄理工學院的Michael Hirtz使用流體相磷脂墨水蘸筆納米光刻結構的構建塊，遵循依賴于墨水擴散抑制的生物啟發(fā)方法，提出了兩個過程來構建2D和3D金屬結構。血清白蛋白是一種被廣泛使用的蛋白質，具有與生俱來的與脂質結合的能力，在這兩個過程中都是關鍵。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支架來構建金屬結構。相關論文“3D Nanolithography by Means of Lipid Ink Spreading Inhibition”于2022年12月20日發(fā)表于雜志《Small》上。

基質的功能化對于控制油墨擴散至關重要。表面經(jīng)常使用帶有非極性頭部基團的預涂覆自組裝單分子膜，以防止脂肪在表面擴散。另一方面，血清白蛋白-哺乳動物血漿中含量最豐富的蛋白質之一，具有小尺寸、高穩(wěn)定性和非反應性，通常用于免疫組織化學分析。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合部位的生物活性，使用它來調整底物的屬性，并實現(xiàn)脂質錨定行為，以防止在L-DPN期間和之后脂墨的擴散(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(晶體結構如圖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，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)涂層表面的脂質書寫

1. 2D光刻：使用脂質作為光刻掩膜
書寫測試和比較獲得的脂質貼片的厚度表明，與其他功能化基質相比，這些涂覆牛血清白蛋白的基質上確實具有明顯更高的結構。這可以歸因于阻止脂質的擴散，因為事實證明，堆積在其他磷脂分子上比擴散到BSA包被的底物區(qū)域在能量上更有利。這一特性使得能夠寫入厚的任意形狀的脂質塊(例如，對于標準寫入條件，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)進行進一步的納米光刻步驟，將脂質結構轉換成任何所需的材料。提出了一種兩步光刻工藝，其中脂質在物理氣相沉積(PVD)期間用于保護表面區(qū)域，并在剝離過程后產生模具，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)建一個模具結構(“負”光刻)，在含有脂質結構的樣品上蒸發(fā)一個鉻/金(3 nm/ 20 nm)犧牲層，不久之后，通過丙酮超聲樣品15分鐘將脂質剝離，這溶解了脂質結構和脂質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，以填充空心結構，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。為了實現(xiàn)這一目標，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行了脂質的打印(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，對四條線進行圖案化。正如預期的那樣，原始硅上的圖案化產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轉移到襯底和隨后的擴散。相比之下，在涂有BSA的表面上，寫入速度的降低導致線條厚度顯著增加(圖3b)，與原始硅上的圖案相比，增加了一個數(shù)量級。因此，通過調節(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方式圖案化結構。

為了探索可實現(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行了系統(tǒng)的實驗。獲得的結果顯示在圖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整脂線的厚度后，作為生成3D結構的一種方式，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，不同的結構被圖案化到涂有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圖案(圖4b)的頂部，形成2或3層結構。圖4C、D所示的數(shù)字數(shù)據(jù)說明了線條的厚度是如何隨著每次重復而增加的。這在第一次重復時發(fā)生的范圍更大，但隨著重復次數(shù)的增加，所獲得的厚度似乎更接近飽和值。綜上所述，實驗證明了在L-DPN中逐層寫入生成3D結構的可行性。這種脂上的脂結構在室溫下令人驚訝地保持幾天的穩(wěn)定性，因為以前的研究表明，圖案化的脂容易擴散到親水性表面或碳氫鏈的頂部。

圖4 添加劑-脂質層制造

圖5顯示了一個使用“點密度”方法打印的更復雜結構的示例:使用點位圖繪制的象形結構。點密度越高，脂質區(qū)域越厚，最終得到3D結構。然而，DOPC磷脂分子在室溫下形成液相脂質斑塊，這降低了其在許多應用中的實用性。因此，探索了PVD金屬化方法，作為固定脂質結構的一種方法。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)在的金屬化結構(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)前后的結構進行了表征，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，盡管脂質斑塊遭受了高碰撞能量，但結構的整體形狀保持不變。值得注意的是，在此過程中脂質結構未被破壞，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結構，并證明這種方法可以擴展到復雜3D結構的制造及其在器件小型化中的應用。

圖5 3D脂結構金屬化

在過去的十年中，脂膜圖形化的進展產生了不同的應用，從生物傳感器到現(xiàn)有結構的功能化或光學結構的納米制造。在目前的工作中，作者提出了兩種方法，利用脂質直接寫入L-DPN打印金屬2D和3D納米結構。雖然在納米尺度上控制打印過程結果的典型重點依賴于墨水的設計，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)之間的強結合，可以進行簡便的過程來創(chuàng)建任意形狀和材料的2D結構，不需要特殊的基礎設施，如潔凈室或昂貴的光刻設備，電子束光刻。此外，通過寫入?yún)��?shù)控制寫入時的厚度維度或實現(xiàn)逐層寫入過程，L-DPN的寫入能力從2D擴展到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實驗中得到了證明�？偠�言之，這項工作推動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結構。

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