用基因重組的蜘蛛絲蛋白作為光刻膠，科學家實現了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫，該技術加工精度可達14nm，較之前技術提升了1個數量級。

以上結果來自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、錢志剛團隊。三維制造在過去二十年中得到了深??入研究。隨著材料開發的協同進步，許多應用極大地受益于微米、納米尺度三維結構和設備的高分辨率制造，如微流體、折射/衍射光學、光子超材料和機械超材料。

當尺度更小、到深納米尺度（即小于100nm）時，材料和制作技術的挑戰更加突出。其中，分辨率、結構穩定性和精度是關鍵因素。對于細胞支架和治療性微/納米機器人等生物醫學應用，需要系統地評估3d制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。

制造三維結構可以使用光刻方法（如多光子無掩模光刻和掩模投影立體光刻），將合成樹脂和角蛋白、絲素蛋白和絲膠等作為光刻膠。

光刻膠又稱光致抗蝕劑，是一種在光照后能具有抗蝕能力的高分子化合物，用于在半導體基件表面產生電路形狀，是芯片制造的重要材料。提升光刻膠的分辨率是發展集成電路與芯片先進制造工藝的重要途徑，而光刻膠的分子組成、結構形態、機械性能與其光刻分辨率密切相關。

電子束光刻精度極高，通常是二維微納加工獲得最小尺寸的標準工具，將電子束光刻的能力拓展到真三維微納加工是研究者長久以來努力的方向。

歷史上，電子束光刻用高電壓（25千伏以上）和薄膠（不超過100納米）以保證光刻的準直度和分辨率。

之前，研究團隊將電子束光刻和離子束光刻結合在絲蛋白中制造簡單的二維和三維納米結構，而離子束光刻技術不可避免地蝕刻頂層并可能造成離子污染。三維納米制造技術仍存缺陷，包括光刻分辨率和結構復雜性之間的先天矛盾，以及功能化的限制。因此，材料和制造技術方面的新戰略與創新還有待探索。

圖片來源：中國科學院上海微系統所

此項工作中，研究團隊通過優化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，創新開發水系基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，整個光刻過程中僅使用純水作為溶劑和顯影液，防止產生化學污染。

研究團隊從低電壓（10千伏以下）和厚膠（微米數量級）入手，結合基于百萬級數量電子的大規模仿真模擬，實時控制加速電壓調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，實現了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫。

該技術加工精度可達14nm，接近天然絲蛋白單分子尺寸（約10nm），較之前技術提升了1個數量級。

研究者表明，所制的三維納米結構繼承了蜘蛛絲的優異機械強度和結構復雜性。該三維納米結構具有良好的生物相容性，可以通過生物或化學方式進行功能化，實現可載藥、可驅動、可降解的4D納米功能器件（時空可變形），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明確的應用前景。

作為概念驗證，研究者設計制造了一種新型納米機器人，它能在液體環境中進行受控運動，由人體生理水平的生物燃料提供動力，并通過光/酸堿度/熱觸發降解來控制設備壽命。

相關研究成果以“3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist”（使用蜘蛛絲作為光刻膠以亞15nm 分辨率進行三維電子束光刻”）為題于2021年8月26日發表在《自然-通訊》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1#Sec2