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加工精度14nm,我国科学家用蛛丝3D打印纳米“鱼”

三维-小豆花
2021-10-27 16:26:51

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。」

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。

来源:机器之心

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