跨尺度微納結(jié)構(gòu)在光學(xué)、半導(dǎo)體、微機(jī)電、生物醫(yī)學(xué)和仿生領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。正性光刻膠具有高分辨率和對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，在光刻領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。器件微型化和集成化的發(fā)展，對(duì)跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備提出了更高的要求。生物醫(yī)學(xué)和仿生領(lǐng)域也迫切地需要高精度且靈活化的微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。 

　　傳統(tǒng)紫外曝光技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)高通量微結(jié)構(gòu)的制備，但受制于光學(xué)衍射極限，其分辨率僅停留在亞微米尺度。電子束光刻和聚焦離子束光刻雖然可以制備高精度的納米結(jié)構(gòu)，但不利于制備大面積跨尺度結(jié)構(gòu)。飛秒激光直寫技術(shù)作為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的掃描光刻技術(shù)可以靈活的制備任意三維結(jié)構(gòu)，然而其所制備的微納結(jié)構(gòu)僅在數(shù)百微米，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室鄭美玲研究員團(tuán)隊(duì)在正膠跨尺度微納結(jié)構(gòu)制備及其在組織工程領(lǐng)域應(yīng)用方面取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)研究并優(yōu)化了無(wú)掩膜投影光刻（MOPL）技術(shù)對(duì)正性光刻膠AZ P4620的加工性能，獲得112 nm的特征尺寸凹槽結(jié)構(gòu)。通過(guò)單次曝光實(shí)現(xiàn)了尺寸在百微米、精度在納米級(jí)的跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備。結(jié)合多子場(chǎng)拼接技術(shù)，高效制備出大面積溝槽陣列結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于細(xì)胞浸潤(rùn)行為調(diào)控。該研究提供了一種基于正膠的大面積跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備方案，提高了正膠在無(wú)掩膜光刻技術(shù)中的分辨率，并擴(kuò)展了其在組織工程領(lǐng)域的新應(yīng)用。研究成果發(fā)表在Small上，博士研究生郭敏為論文第一作者，鄭美玲研究員為通訊作者。

　　基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的MOPL技術(shù)具備靈活化和高通量的特點(diǎn)。MOPL技術(shù)可利用DMD實(shí)時(shí)形成動(dòng)態(tài)掩膜，具備靈活性。此外，MOPL技術(shù)在單次曝光中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)的加工，對(duì)于制備大面積微納結(jié)構(gòu)具有高效性。 

圖1.  飛秒激光無(wú)掩膜投影（MOPL）光路示意圖及AZ P4620正膠的光化學(xué)反應(yīng) 

　　位圖圖形可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DMD的空間光場(chǎng)分布的調(diào)制，因此可通過(guò)位圖設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)多樣化微納結(jié)構(gòu)的制備（圖1）。圖2中展示了基于填充型和輪廓型位圖的圖案化結(jié)構(gòu)、功能性微流道結(jié)構(gòu)以及尺寸在百微米、精度在納米級(jí)的跨尺度結(jié)構(gòu)。 

　　在MOPL技術(shù)中，像素?cái)?shù)、激光功率和曝光時(shí)間影響著AZ P4620光刻膠加工性能。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，在激光功率為110 μW和曝光時(shí)間為800 ms的條件下，獲得了特征尺寸為112 nm的凹槽結(jié)構(gòu)（圖3a）。 

圖2.  基于正膠的圖案化和跨尺度微納結(jié)構(gòu) 

　　進(jìn)一步地，受血管和皮膚內(nèi)表面定向排列結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，得益于MOPL技術(shù)的靈活性和高效性，我們分別制備了凹槽寬度為1 μm，脊線寬度分別為1、5、10、15和20  μm的大面積溝槽陣列結(jié)構(gòu)。通過(guò)熒光染色觀察發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在一系列溝槽陣列結(jié)構(gòu)上形成了沿溝槽方向的肌動(dòng)蛋白纖維束（圖3b），細(xì)胞沿著溝槽取向排列。然而在平面基底上，細(xì)胞肌動(dòng)蛋白纖維束的方向是隨機(jī)的，細(xì)胞隨機(jī)排列。不同尺寸參數(shù)的大面積溝槽陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞行為產(chǎn)生了明顯的調(diào)控作用。 

圖3.  MOPL技術(shù)制備的正膠溝槽結(jié)構(gòu)的特征尺寸和細(xì)胞的浸潤(rùn)行為 

　　該研究提供了一種基于正膠制備大面積跨尺度微納結(jié)構(gòu)的方案，提高了正膠的無(wú)掩膜光刻分辨率，并擴(kuò)展了正膠微納加工在組織工程領(lǐng)域的新應(yīng)用。 

　　本工作是飛秒激光面投影納米光刻技術(shù)及應(yīng)用（Small 2023, 2300311; Nano  Lett. 2022, 2, 9823-9830; Opt. Express 2022, 30, 36791-36801;  Nano Lett. 2021, 21, 3915-3921）的拓展和深入。相關(guān)研究工作得到科技部納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。 

　　論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202303572