提到蜘蛛丝，大家很容易想到“蜘蛛侠”，仅仅利用手臂上发射出的蜘蛛丝绳索，蜘蛛侠就可以自由穿梭在高楼大厦之间，这纤细的蜘蛛丝和硕大的人体形成了鲜明的对比，想必这蜘蛛丝一定很结实！



回到现实中的自然界，大家小时候一定有蹲在花丛中观察蜘蛛织网的经历，似乎有源源不断的丝线从蜘蛛腹部拉出，先固定经线，再由内向外一圈一圈纺出纬线，一张张规整、漂亮的蛛网不但是蜘蛛生活的家，还成为它捕捉猎物的有力武器。即便是飞翔的昆虫撞了上去，蛛网也只是轻微颤抖后很快回复平静，仍然保持结构完整无恙，想必这蜘蛛丝一定很强韧！



蜘蛛丝蛋白是蜘蛛丝的主要成分，包含甘氨酸、丙氨酸以及少量的丝氨酸，加上其它氨基酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，一方面在于，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链（非晶区），这使蜘蛛丝具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链（结晶区），这又使蜘蛛丝具有强度。



实验表明，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的钢丝绳还要坚强有力，它能够承受比钢丝绳还多5倍的重量而不会断裂。尽管蜘蛛丝具有如此出众的材料特性，但天然蜘蛛丝蛋白主要来源于蛛网，产量非常低，质量不均一，而且蜘蛛具有攻击同类的天性，无法像家蚕一样大规模养殖，所以直接从自然界获取蜘蛛丝蛋白比较困难。



光刻胶是半导体技术中微细图形加工的关键材料。利用光化学反应使光刻胶的溶解度发生变化（正性光刻胶：难溶→易溶；负性光刻胶：易溶→难溶），经曝光（通过紫外光、电子束、X射线、离子束等曝光源的照射或辐射）、显影（用溶剂洗去正性光刻胶的曝光区域和负性光刻胶的未曝光区域）、刻蚀等工艺将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工基底上的图形转移介质。



提升光刻胶的分辨率是发展集成电路与芯片先进制造工艺的重要途径，而光刻胶的分子组成、结构形态、机械性能与其光刻分辨率密切相关。电子束光刻精度极高，由于电子束的等效波长比光的波长要小很多，其精度已突破百纳米量级可达纳米量级，是加工二维平面图形获得最小尺寸的标准工具。如何把电子束光刻的能力拓展到真三维微纳加工是研究者长久以来努力的主要方向。



图1. 基因重组蜘蛛丝蛋白的3D电子束光刻流程



中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎研究员团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚教授合作，运用生物工程技术，创新开发水系基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，整个光刻过程中仅使用纯水作为溶剂和显影液，避免引入或产生有毒有害化学污染。通过设计和优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，转入大肠杆菌表达来实现批量生产多种规格蜘蛛丝蛋白。相对传统电子束光刻采用高电压（几十kV）和薄胶（几十纳米）以保证光刻的准直度和分辨率，陶虎团队反其道而行，从低电压（几kV）和厚胶（几微米）入手，结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，实时控制加速电压调控电子在蜘蛛丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量转移行为，在三维空间内准确定义了电子束在蜘蛛丝蛋白光刻胶中纳米尺度的曝光区域，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写（如图1所示）。该技术加工精度可达14 nm，接近天然蜘蛛丝蛋白单分子尺寸（~10 nm），较之前技术提升了1个数量级（如图2所示）。



图2. 高精度三维纳米直写技术与当前其他加工方法的对比



基因重组蜘蛛丝蛋白优异的机械强度为复杂三维纳米结构提供了关键支持，有效提升了纳米尺度下结构的稳定性。良好的生物相容性允许进一步通过功能化，赋予其对光、热、酸碱度的敏感响应特性，实现“可载药、可驱动、可降解”的4D纳米功能器件（时空可变形），在智能仿生感知、药物递送纳米机器人、类器官芯片等研究领域具有明确的应用前景（如图3所示）。相关研究成果以 3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist 为题于2021年8月26日发表在 Nature Communications 12, 5133 (2021)。



图3. 系列基因重组蜘蛛丝蛋白4D纳米功能器件



该论文的第一通讯单位为中科院上海微系统所，通讯作者为上海微系统所陶虎研究员和上海交通大学夏小霞教授。该工作得到国家科技创新2030重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年基金、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、上海市优秀学术带头人计划等相关研究计划的支持。



文章来源： 中国科学院上海微系统与信息技术研究所

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