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。
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。
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。
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。