3D打印方興未艾，甚至在國際空間站也被應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，中國科學院上海微系統所陶虎團隊與上海交通大學夏小霞、錢志剛合作，創新開發了基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，加工精度可達14納米，較之前技術提升了1個數量級。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。相關研究成果發表在《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學中的組織修復，他“突發奇想”將其和傳感器相結合。“太不可思議了！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。”
現在一般用光學方式來做3D打印，但受光學衍射的影響，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準工具。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，這為復雜三維納米結構提供了關鍵支持。”陶虎介紹，以往，納米尺度的3D結構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，把它轉入大腸桿菌，用細菌發酵法生產蛋白，這樣不僅可以實現蜘蛛絲蛋白的批量化制造，而且在納米尺度實現了蛋白分子的可重復和可定義，成為此次研究的一個亮點。
研究人員進一步結合基于百萬級數量電子的大規模仿真模擬，從而實現了14納米的三維加工精度，接近天然蜘蛛絲蛋白單分子尺寸，較之前的技術提升了1個數量級。
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，實現了絲蛋白從傳統紡織材料到集成電路和傳感器材料的華麗轉身。
【為4D納米功能器件打下了基礎】
與此同時，蜘蛛絲蛋白良好的生物相容性和可控降解性，也為實現時空可變形的4D納米功能器件打下了基礎。
“這算是一種4D打印的雛形吧。”陶虎告訴解放日報·上觀新聞記者。由于蜘蛛絲蛋白是生物材料，可以從基因層面去定義它的功能，比如說可以讓它對光、溫度和酸堿度進行響應，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進行生物降解，大大提高了安全性，也節省了將其從人體取出的成本。
可以預見的是，未來，這一技術將在智能仿生感知、藥物遞送納米機器人、類器官芯片等研究領域具有應用前景。
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
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