中國科學院上海微係統所與(yu) 上海交通大學聯合研發出的這種 3D 納米機器人有望在智能仿生感知、藥物遞送等領域發揮巨大的潛力。
3D 打印材料是 3D 打印技術發展的重要物質基礎，在某種程度上，材料的發展決(jue) 定著 3D 打印能否有更廣泛的應用。人類通過現代技術利用材料（包括天然和合成材料）來尋找新的技術機會(hui) ，許多新機遇和新發現本質上都植根於(yu) 製造創新。3D 製造在過去的二十年中得到了深入研究。
隨著材料開發的協同進步，許多應用極大地受益於(yu) 微 / 納米尺度 3D 結構和設備的高分辨率製造，例如微流體(ti) 、折射 / 衍射光學、光子和機械超材料。然而，當特征變得更小，尤其是達到深納米尺度（即<100 nm）時，三維製造技術挑戰變得更加突出， 分辨率、結構穩定性和形狀準確率是關(guan) 鍵因素。對於(yu) 細胞支架和治療性微 / 納米機器人等生物醫學應用來說，需要係統地評估 3D 製造結構的生物相容性、物理化學穩定性和功能化的難易程度。
近期，中國科學院上海微係統所陶虎團隊與(yu) 上海交通大學夏小霞、錢誌剛合作，用基因重組的蜘蛛絲(si) 蛋白 3D 打印出納米機器人，加工精度達到 14 納米。相關(guan) 研究成果發表在國際知名學術期刊《自然 · 通訊》上。
具體(ti) 而言，該研究團隊創新開發了基因重組蜘蛛絲(si) 蛋白光刻膠，通過優(you) 化重組蜘蛛絲(si) 基因片段和分子量，結合基於(yu) 百萬(wan) 級數量電子的大規模仿真模擬，實時控製加速電壓調控電子在絲(si) 蛋白光刻膠裏的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，實現了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫(xie) 。該技術加工精度可達 14nm，接近天然絲(si) 蛋白單分子尺寸（~10 nm），較之前技術提升了 1 個(ge) 數量級。
這一技術有望用於(yu) 智能仿生感知、藥物遞送納米機器人等領域。陶虎表示，「14 納米相當於(yu) 蜘蛛絲(si) 蛋白單個(ge) 分子的尺寸，已經迫近了精度極限。」論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1
其中 3D 打印所需的蜘蛛絲(si) 蛋白，是研究人員從(cong) 天然蜘蛛絲(si) 中提取出的一段強度好且重複性好的基因序列，進而放入大腸杆菌中進行培養(yang) 。此外，研究人員使用電子束進行三維光刻來進一步提高加工精度。相對傳(chuan) 統電子束光刻用高電壓（幾十 kV）和薄膠（幾十納米）以保證光刻的準直度和分辨率，該研究從(cong) 低電壓（幾 kV）和厚膠（幾微米）入手研究。
因為(wei) 要在血液等環境中遊動，納米機器人被設計成了魚的形狀，可以在人體(ti) 血糖環境中遊動，當環境達到設定的酸堿度等條件就能自動降解，釋放出藥物。通過基因工程重組蜘蛛絲(si) 蛋白，可以在納米尺度上創建任意高分辨率、高強度的三維結構。通過在 3D 蛋白質基質不同深度使用高能電子定量定義(yi) 結構轉變的能力，可以使多態性蜘蛛絲(si) 蛋白質接近分子水平。此外，蜘蛛絲(si) 蛋白的遺傳(chuan) 或介觀修飾提供了將物理化學、生物功能嵌入和穩定在所製備的三維納米結構中的機會(hui) 。該研究所用方法能夠快速靈活地製造異質功能化和分層結構的 3D 納米組件和納米設備，為(wei) 仿生學、治療設備和納米機器人提供了機會(hui) 。
對於(yu) 這項研究，網友不禁感歎：科幻逐漸在變成現實。還有網友表示：「非常棒����，我還盼望著能有類似的機器人能進到血管幫助打通和溶解血栓，這樣很多心髒病人都不用做支架了。」技術解讀
實驗設置和製造能力
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。當前，EBL 技術的一個(ge) 主要限製是它們(men) 沒有能力進行任意 3D 納米加工。其中，分辨率、結構完整性和功能性等都是最重要的因素。
在深納米尺度上實現 3D EBL 的關(guan) 鍵是：開發出既可以通過電子束在不同可控深度下進行交聯（cross-link），又具有卓越機械強度且在納米尺寸上保持良好結構完整性的合適材料。
在這項工作中，研究者對商用 EBL 工具——Hitachi S-4800 型掃描電鏡進行了修改，從(cong) 而可以在曝光期間根據不同的結構幾何來自適應地調整加速電壓（通常為(wei) 0.5–10 kV），具體(ti) 如下圖 1a 所示。
接著，他們(men) 通過基因工程將合成重組蛛絲(si) 蛋白作為(wei) 抗蝕劑，將純水作為(wei) 抗蝕劑顯影劑。具有精確定向的非結晶（水溶）和結晶（不溶於(yu) 水）蛛絲(si) 之間的結構轉變進行明確定義(yi) ，接近蛋白質基質內(nei) 的分子水平。定義(yi) 曝光點的電子的軌跡由施加的加速電壓來調節，從(cong) 而使得 3 D 納米製造具有很高的結構複雜度。通過這種方法，研究者使用重組蛛絲(si) 蛋白製造了一係列具有不同幾何和結構複雜度的 3D 複雜納米結構，其中最小特征尺寸為(wei) 14.8nm，具體(ti) 如下圖 1j 所示。將重組蛛絲(si) 蛋白作為(wei) 抗蝕劑的 3D EBL。
這種方法結合了 MPL（多光子光刻）的無掩模直接 3D 書(shu) 寫(xie) 和 EBL 的無可比擬光刻分辨率的優(you) 勢。此外，對重組蛛絲(si) 蛋白的基因或介觀修改為(wei) 在製造的納米結構中嵌入和穩定生物化學和 / 或生物功能提供了機會(hui) ，從(cong) 而為(wei) 生物適應和整合提供了巨大的潛力。
製造機理和材料優(you) 化
研究者交替觀察了低加速電壓（≤10 kV）電子與(yu) 厚層抗蝕劑（以μm 計）之間的交互作用，這在以前很少被探究，並且是成功地將 EBL 現有能力從(cong) 2D 納米圖案擴展至 3D 納米製造的關(guan) 鍵。
電子的彈性散射具有相對較大的散射，但能量轉移可以忽略不計。相比之下，電子的非彈性散射具有較小的散射角度，並且可以將一部分能量轉移至抗蝕劑且導致抗蝕劑曝光，如下圖 2a 所示。
眾(zhong) 所周知，非結晶蠶絲(si) 和蛛絲(si) 蛋白（水溶性）通過與(yu) 能量電子的交互而產(chan) 生交聯，然後轉變為(wei) 結晶相（不溶於(yu) 水）以實現納米圖案化。重組蛛絲(si) 蛋白中 3D EBL 的機理、材料和製造參數優(you) 化。
在這種情況下，研究者首先使用基於(yu) Casino Monte Carlo 模擬程序修改的自定義(yi) 代碼來模擬電子的軌跡以及電子和抗蝕劑之間的能量轉移，以探究 3D 空間中電子 - 蛋白質的交互作用，如上圖 2b 所示。
接著，研究者表征了電子輻射後絲(si) 蛋白的結晶化以及與(yu) 書(shu) 寫(xie) 方向的關(guan) 係，結果發現結晶程度高度依賴書(shu) 寫(xie) 方向（x–y）。
最後，也是最重要的，與(yu) 具有類高斯分布的分子量的自然收獲的絲(si) 蛋白相比，實驗室製造的重組蛛絲(si) 具有定義(yi) 良好的分子量，並且更適用於(yu) 納米級的高精度圖案化，從(cong) 而在分辨率、對比度和長寬比等方麵較以往蠶絲(si) 蛋白的光刻性能大大增強。
功能性重組蛛絲(si) 蛋白的異質、分層和仿生 3D 納米結構
重組蛛絲(si) 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。得益於(yu) 合理的設計和獨創性，蛛絲(si) 可以從(cong) 不同的角度進行重組，並且 3D 納米結構的組成、形狀和功能能夠得到很好地配置。這就為(wei) 使用 3D EBL 製造的功能性重組蛛絲(si) 蛋白中構建異質、分層的納米結構提供了可能。
下圖 3 為(wei) 使用功能性重組蛛絲(si) 蛋白製造的異質、分層和仿生 3D 納米結構：生物燃料驅動、酶輔助的 3D 納米機器人
創建具有高保真度和易使用的複雜 3D 納米結構的能力，為(wei) 開發用於(yu) 治療有效負載靶向製劑的仿生、生物相容、生物活性和生物降解的納米機器人提供了可能。
納米魚的功能性在單個(ge) 設備中包含三個(ge) 重要特征。對於(yu) 裝置推進（device propulsion），葡萄糖氧化酶（GOX）和過氧化氫酶（catalase）這兩(liang) 種酶嵌入並穩定在 3D 納米魚中，從(cong) 而使得含葡萄糖環境中的生物燃料驅動的氣體(ti) 推進達到人體(ti) 生理水平，如下圖 4a 所示。
對於(yu) 定向運動控製，研究者在納米魚的特定區域施加了不同劑量的電子輻射，以調整整個(ge) 裝置的酶活性，從(cong) 而產(chan) 生適當的力梯度和不同的運動（如向上、向下、向左、向右以及順逆時針），如下圖 4b 所示。
此外，納米魚中的淺綠色、亮綠色和深紅色熒光分別代表動力學中的低功率、全功率和損耗功率狀態。對於(yu) 釋放觸發，納米魚可以輕鬆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(cong) 而用於(yu) 光敏、溫調或 pH 調藥物釋放，如下圖 4c 所示。使用 3d EBL 製造的生物燃料驅動的酶輔助蜘蛛絲(si) 納米魚
參考鏈接：
https://www.sim.cas.cn/xwzx2016/kyjz/202108/t20210826_6170822.html
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/9/465436.shtm