中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所與上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)出的這種 3D 納米機(jī)器人有望在智能仿生感知、藥物遞送等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛力。
3D 打印材料是 3D 打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種程度上，材料的發(fā)展決定著 3D 打印能否有更廣泛的應(yīng)用。人類通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)利用材料（包括天然和合成材料）來(lái)尋找新的技術(shù)機(jī)會(huì)，許多新機(jī)遇和新發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上都植根于制造創(chuàng)新。3D 制造在過(guò)去的二十年中得到了深入研究。
隨著材料開(kāi)發(fā)的協(xié)同進(jìn)步，許多應(yīng)用極大地受益于微 / 納米尺度 3D 結(jié)構(gòu)和設(shè)備的高分辨率制造，例如微流體、折射 / 衍射光學(xué)、光子和機(jī)械超材料。然而，當(dāng)特征變得更小，尤其是達(dá)到深納米尺度（即<100 nm）時(shí)，三維制造技術(shù)挑戰(zhàn)變得更加突出， 分辨率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形狀準(zhǔn)確率是關(guān)鍵因素。對(duì)于細(xì)胞支架和治療性微 / 納米機(jī)器人等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要系統(tǒng)地評(píng)估 3D 制造結(jié)構(gòu)的生物相容性、物理化學(xué)穩(wěn)定性和功能化的難易程度。
近期，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)夏小霞、錢志剛合作，用基因重組的蜘蛛絲蛋白 3D 打印出納米機(jī)器人，加工精度達(dá)到 14 納米。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然 · 通訊》上。
具體而言，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，通過(guò)優(yōu)化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，結(jié)合基于百萬(wàn)級(jí)數(shù)量電子的大規(guī)模仿真模擬，實(shí)時(shí)控制加速電壓調(diào)控電子在絲蛋白光刻膠里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)別精度的真三維納米功能器件直寫(xiě)。該技術(shù)加工精度可達(dá) 14nm，接近天然絲蛋白單分子尺寸（~10 nm），較之前技術(shù)提升了 1 個(gè)數(shù)量級(jí)。
這一技術(shù)有望用于智能仿生感知、藥物遞送納米機(jī)器人等領(lǐng)域。陶虎表示，「14 納米相當(dāng)于蜘蛛絲蛋白單個(gè)分子的尺寸，已經(jīng)迫近了精度極限。」論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1
其中 3D 打印所需的蜘蛛絲蛋白，是研究人員從天然蜘蛛絲中提取出的一段強(qiáng)度好且重復(fù)性好的基因序列，進(jìn)而放入大腸桿菌中進(jìn)行培養(yǎng)。此外，研究人員使用電子束進(jìn)行三維光刻來(lái)進(jìn)一步提高加工精度。相對(duì)傳統(tǒng)電子束光刻用高電壓（幾十 kV）和薄膠（幾十納米）以保證光刻的準(zhǔn)直度和分辨率，該研究從低電壓（幾 kV）和厚膠（幾微米）入手研究。
因?yàn)橐谘旱拳h(huán)境中游動(dòng)，納米機(jī)器人被設(shè)計(jì)成了魚(yú)的形狀，可以在人體血糖環(huán)境中游動(dòng)，當(dāng)環(huán)境達(dá)到設(shè)定的酸堿度等條件就能自動(dòng)降解，釋放出藥物。通過(guò)基因工程重組蜘蛛絲蛋白，可以在納米尺度上創(chuàng)建任意高分辨率、高強(qiáng)度的三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)在 3D 蛋白質(zhì)基質(zhì)不同深度使用高能電子定量定義結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的能力，可以使多態(tài)性蜘蛛絲蛋白質(zhì)接近分子水平。此外，蜘蛛絲蛋白的遺傳或介觀修飾提供了將物理化學(xué)、生物功能嵌入和穩(wěn)定在所制備的三維納米結(jié)構(gòu)中的機(jī)會(huì)。該研究所用方法能夠快速靈活地制造異質(zhì)功能化和分層結(jié)構(gòu)的 3D 納米組件和納米設(shè)備，為仿生學(xué)、治療設(shè)備和納米機(jī)器人提供了機(jī)會(huì)。
對(duì)于這項(xiàng)研究，網(wǎng)友不禁感嘆：科幻逐漸在變成現(xiàn)實(shí)。還有網(wǎng)友表示：「非常棒????，我還盼望著能有類似的機(jī)器人能進(jìn)到血管幫助打通和溶解血栓，這樣很多心臟病人都不用做支架了。」技術(shù)解讀
實(shí)驗(yàn)設(shè)置和制造能力
電子束光刻（Electron beam lithography, EBL）以提供深納米尺度的加工分辨率而聞名。當(dāng)前，EBL 技術(shù)的一個(gè)主要限制是它們沒(méi)有能力進(jìn)行任意 3D 納米加工。其中，分辨率、結(jié)構(gòu)完整性和功能性等都是最重要的因素。
在深納米尺度上實(shí)現(xiàn) 3D EBL 的關(guān)鍵是：開(kāi)發(fā)出既可以通過(guò)電子束在不同可控深度下進(jìn)行交聯(lián)（cross-link），又具有卓越機(jī)械強(qiáng)度且在納米尺寸上保持良好結(jié)構(gòu)完整性的合適材料。
在這項(xiàng)工作中，研究者對(duì)商用 EBL 工具——Hitachi S-4800 型掃描電鏡進(jìn)行了修改，從而可以在曝光期間根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)幾何來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整加速電壓（通常為 0.5–10 kV），具體如下圖 1a 所示。
接著，他們通過(guò)基因工程將合成重組蛛絲蛋白作為抗蝕劑，將純水作為抗蝕劑顯影劑。具有精確定向的非結(jié)晶（水溶）和結(jié)晶（不溶于水）蛛絲之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變進(jìn)行明確定義，接近蛋白質(zhì)基質(zhì)內(nèi)的分子水平。定義曝光點(diǎn)的電子的軌跡由施加的加速電壓來(lái)調(diào)節(jié)，從而使得 3 D 納米制造具有很高的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。通過(guò)這種方法，研究者使用重組蛛絲蛋白制造了一系列具有不同幾何和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的 3D 復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，其中最小特征尺寸為 14.8nm，具體如下圖 1j 所示。將重組蛛絲蛋白作為抗蝕劑的 3D EBL。
這種方法結(jié)合了 MPL（多光子光刻）的無(wú)掩模直接 3D 書(shū)寫(xiě)和 EBL 的無(wú)可比擬光刻分辨率的優(yōu)勢(shì)。此外，對(duì)重組蛛絲蛋白的基因或介觀修改為在制造的納米結(jié)構(gòu)中嵌入和穩(wěn)定生物化學(xué)和 / 或生物功能提供了機(jī)會(huì)，從而為生物適應(yīng)和整合提供了巨大的潛力。
制造機(jī)理和材料優(yōu)化
研究者交替觀察了低加速電壓（≤10 kV）電子與厚層抗蝕劑（以μm 計(jì)）之間的交互作用，這在以前很少被探究，并且是成功地將 EBL 現(xiàn)有能力從 2D 納米圖案擴(kuò)展至 3D 納米制造的關(guān)鍵。
電子的彈性散射具有相對(duì)較大的散射，但能量轉(zhuǎn)移可以忽略不計(jì)。相比之下，電子的非彈性散射具有較小的散射角度，并且可以將一部分能量轉(zhuǎn)移至抗蝕劑且導(dǎo)致抗蝕劑曝光，如下圖 2a 所示。
眾所周知，非結(jié)晶蠶絲和蛛絲蛋白（水溶性）通過(guò)與能量電子的交互而產(chǎn)生交聯(lián)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相（不溶于水）以實(shí)現(xiàn)納米圖案化。重組蛛絲蛋白中 3D EBL 的機(jī)理、材料和制造參數(shù)優(yōu)化。
在這種情況下，研究者首先使用基于 Casino Monte Carlo 模擬程序修改的自定義代碼來(lái)模擬電子的軌跡以及電子和抗蝕劑之間的能量轉(zhuǎn)移，以探究 3D 空間中電子 - 蛋白質(zhì)的交互作用，如上圖 2b 所示。
接著，研究者表征了電子輻射后絲蛋白的結(jié)晶化以及與書(shū)寫(xiě)方向的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)晶程度高度依賴書(shū)寫(xiě)方向（x–y）。
最后，也是最重要的，與具有類高斯分布的分子量的自然收獲的絲蛋白相比，實(shí)驗(yàn)室制造的重組蛛絲具有定義良好的分子量，并且更適用于納米級(jí)的高精度圖案化，從而在分辨率、對(duì)比度和長(zhǎng)寬比等方面較以往蠶絲蛋白的光刻性能大大增強(qiáng)。
功能性重組蛛絲蛋白的異質(zhì)、分層和仿生 3D 納米結(jié)構(gòu)
重組蛛絲蛋白的基因或介觀修改可以賦予 3 D 納米組件和納米器件不同的功能。得益于合理的設(shè)計(jì)和獨(dú)創(chuàng)性，蛛絲可以從不同的角度進(jìn)行重組，并且 3D 納米結(jié)構(gòu)的組成、形狀和功能能夠得到很好地配置。這就為使用 3D EBL 制造的功能性重組蛛絲蛋白中構(gòu)建異質(zhì)、分層的納米結(jié)構(gòu)提供了可能。
下圖 3 為使用功能性重組蛛絲蛋白制造的異質(zhì)、分層和仿生 3D 納米結(jié)構(gòu)：生物燃料驅(qū)動(dòng)、酶輔助的 3D 納米機(jī)器人
創(chuàng)建具有高保真度和易使用的復(fù)雜 3D 納米結(jié)構(gòu)的能力，為開(kāi)發(fā)用于治療有效負(fù)載靶向制劑的仿生、生物相容、生物活性和生物降解的納米機(jī)器人提供了可能。
納米魚(yú)的功能性在單個(gè)設(shè)備中包含三個(gè)重要特征。對(duì)于裝置推進(jìn)（device propulsion），葡萄糖氧化酶（GOX）和過(guò)氧化氫酶（catalase）這兩種酶嵌入并穩(wěn)定在 3D 納米魚(yú)中，從而使得含葡萄糖環(huán)境中的生物燃料驅(qū)動(dòng)的氣體推進(jìn)達(dá)到人體生理水平，如下圖 4a 所示。
對(duì)于定向運(yùn)動(dòng)控制，研究者在納米魚(yú)的特定區(qū)域施加了不同劑量的電子輻射，以調(diào)整整個(gè)裝置的酶活性，從而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牧μ荻群筒煌倪\(yùn)動(dòng)（如向上、向下、向左、向右以及順逆時(shí)針），如下圖 4b 所示。
此外，納米魚(yú)中的淺綠色、亮綠色和深紅色熒光分別代表動(dòng)力學(xué)中的低功率、全功率和損耗功率狀態(tài)。對(duì)于釋放觸發(fā)，納米魚(yú)可以輕松裝載治療分子以及金納米粒子、熱敏或 pH 敏感酶（如木瓜蛋白酶或胃蛋白酶），從而用于光敏、溫調(diào)或 pH 調(diào)藥物釋放，如下圖 4c 所示。使用 3d EBL 制造的生物燃料驅(qū)動(dòng)的酶輔助蜘蛛絲納米魚(yú)
參考鏈接：
http://www.sim.cas.cn/xwzx2016/kyjz/202108/t20210826_6170822.html
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/465436.shtm