3D打印方興未艾,甚至在國際空間站也被應(yīng)用于制造和維修部件。人們不禁要問,4D打印何時會到來?
日前,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎團隊與上海交通大學(xué)夏小霞、錢志剛合作,創(chuàng)新開發(fā)了基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠,加工精度可達14納米,較之前技術(shù)提升了1個數(shù)量級。他們還探索把蜘蛛絲蛋白用作“可載藥、可運動、可降解”的4D納米功能器件。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然通訊》。
【天然蜘蛛絲強度比同尺寸鋼絲強一倍以上】
“這是近幾年我最得意的一個工作。”陶虎告訴解放日報·上觀新聞記者。這些年,他一直在與蠶絲、蜘蛛絲打交道。國外把蠶絲蛋白用于生物醫(yī)學(xué)中的組織修復(fù),他“突發(fā)奇想”將其和傳感器相結(jié)合?!疤豢伤甲h了!蠶絲和蜘蛛絲蛋白天然抗菌,力度好,可降解,是非常好的傳感器基底?!?/p>
現(xiàn)在一般用光學(xué)方式來做3D打印,但受光學(xué)衍射的影響,其精度只能局限在百納米量級。由于電子束的等效波長比光的波長要小很多,因此曝光的精度更高,是二維平面微納加工獲得最小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工具。如何把電子束光刻的能力拓展到三維微納加工,是研究者長久以來努力的方向。
傳統(tǒng)電子束光刻使用高電壓和納米尺度的薄光刻膠,來獲得二維平面圖案,陶虎團隊反其道而行,從低電壓和微米尺度的厚光刻膠入手,從而可以在三維空間控制曝光的區(qū)域。
“天然蜘蛛絲的機械強度比同尺寸的鋼絲強一倍以上,這為復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵支持?!碧栈⒔榻B,以往,納米尺度的3D結(jié)構(gòu)因為材料強度不夠容易坍塌,他們別具一格地使用了蜘蛛絲蛋白作為光刻膠材料。由于天然蜘蛛絲蛋白產(chǎn)量小,制備比較困難,他們就從天然蜘蛛絲中提取一段基因序列,把它轉(zhuǎn)入大腸桿菌,用細菌發(fā)酵法生產(chǎn)蛋白,這樣不僅可以實現(xiàn)蜘蛛絲蛋白的批量化制造,而且在納米尺度實現(xiàn)了蛋白分子的可重復(fù)和可定義,成為此次研究的一個亮點。
研究人員進一步結(jié)合基于百萬級數(shù)量電子的大規(guī)模仿真模擬,從而實現(xiàn)了14納米的三維加工精度,接近天然蜘蛛絲蛋白單分子尺寸,較之前的技術(shù)提升了1個數(shù)量級。
目前,陶虎團隊已基本建立絲蛋白的全套二維和三維微納加工體系,涵蓋納米、微米到毫米以及晶圓級尺度,實現(xiàn)了絲蛋白從傳統(tǒng)紡織材料到集成電路和傳感器材料的華麗轉(zhuǎn)身。
【為4D納米功能器件打下了基礎(chǔ)】
與此同時,蜘蛛絲蛋白良好的生物相容性和可控降解性,也為實現(xiàn)時空可變形的4D納米功能器件打下了基礎(chǔ)。
“這算是一種4D打印的雛形吧?!碧栈⒏嬖V解放日報·上觀新聞記者。由于蜘蛛絲蛋白是生物材料,可以從基因?qū)用嫒ザx它的功能,比如說可以讓它對光、溫度和酸堿度進行響應(yīng),打印成型后,再用光、溫度和酸堿去刺激,它就會動起來。這就是納米機器人,而且它的運動精度非常高。
此外,蜘蛛絲蛋白本身可以包裹藥物,這樣它可以在血管里裝載運輸,到達指定地點后,再進行藥物的可控釋放。由于蜘蛛絲蛋白可以在人體內(nèi)進行生物降解,大大提高了安全性,也節(jié)省了將其從人體取出的成本。
可以預(yù)見的是,未來,這一技術(shù)將在智能仿生感知、藥物遞送納米機器人、類器官芯片等研究領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
欄目主編:黃海華 文字編輯:黃海華 題圖來源:視覺中國 圖片編輯:邵競
來源:作者:黃海華