跨尺度微納結(jié)構(gòu)在光學、半導體、微機電、生物醫(yī)學和仿生領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。正性光刻膠具有高分辨率和對環(huán)境友好的優(yōu)點，在光刻領(lǐng)域有著廣泛的應用。器件微型化和集成化的發(fā)展，對跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備提出了更高的要求。生物醫(yī)學和仿生領(lǐng)域也迫切地需要高精度且靈活化的微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。 

　　傳統(tǒng)紫外曝光技術(shù)雖然可以實現(xiàn)高通量微結(jié)構(gòu)的制備，但受制于光學衍射極限，其分辨率僅停留在亞微米尺度。電子束光刻和聚焦離子束光刻雖然可以制備高精度的納米結(jié)構(gòu)，但不利于制備大面積跨尺度結(jié)構(gòu)。飛秒激光直寫技術(shù)作為一種點對點的掃描光刻技術(shù)可以靈活的制備任意三維結(jié)構(gòu)，然而其所制備的微納結(jié)構(gòu)僅在數(shù)百微米，限制了其進一步的應用。 

　　近日，中國科學院理化所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊在正膠跨尺度微納結(jié)構(gòu)制備及其在組織工程領(lǐng)域應用方面取得了新進展。該團隊研究并優(yōu)化了無掩膜投影光刻（MOPL）技術(shù)對正性光刻膠AZ P4620的加工性能，獲得112 nm的特征尺寸凹槽結(jié)構(gòu)。通過單次曝光實現(xiàn)了尺寸在百微米、精度在納米級的跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備。結(jié)合多子場拼接技術(shù)，高效制備出大面積溝槽陣列結(jié)構(gòu)并應用于細胞浸潤行為調(diào)控。該研究提供了一種基于正膠的大面積跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備方案，提高了正膠在無掩膜光刻技術(shù)中的分辨率，并擴展了其在組織工程領(lǐng)域的新應用。研究成果發(fā)表在Small上，博士研究生郭敏為論文第一作者，鄭美玲研究員為通訊作者。

　　基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的MOPL技術(shù)具備靈活化和高通量的特點。MOPL技術(shù)可利用DMD實時形成動態(tài)掩膜，具備靈活性。此外，MOPL技術(shù)在單次曝光中可同時實現(xiàn)數(shù)十萬個像素點的加工，對于制備大面積微納結(jié)構(gòu)具有高效性。 

圖1.  飛秒激光無掩膜投影（MOPL）光路示意圖及AZ P4620正膠的光化學反應 

　　位圖圖形可以實現(xiàn)對DMD的空間光場分布的調(diào)制，因此可通過位圖設計來實現(xiàn)多樣化微納結(jié)構(gòu)的制備（圖1）。圖2中展示了基于填充型和輪廓型位圖的圖案化結(jié)構(gòu)、功能性微流道結(jié)構(gòu)以及尺寸在百微米、精度在納米級的跨尺度結(jié)構(gòu)。 

　　在MOPL技術(shù)中，像素數(shù)、激光功率和曝光時間影響著AZ P4620光刻膠加工性能。通過優(yōu)化實驗條件，在激光功率為110 μW和曝光時間為800 ms的條件下，獲得了特征尺寸為112 nm的凹槽結(jié)構(gòu)（圖3a）。 

圖2.  基于正膠的圖案化和跨尺度微納結(jié)構(gòu) 

　　進一步地，受血管和皮膚內(nèi)表面定向排列結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，得益于MOPL技術(shù)的靈活性和高效性，我們分別制備了凹槽寬度為1 μm，脊線寬度分別為1、5、10、15和20  μm的大面積溝槽陣列結(jié)構(gòu)。通過熒光染色觀察發(fā)現(xiàn)，細胞在一系列溝槽陣列結(jié)構(gòu)上形成了沿溝槽方向的肌動蛋白纖維束（圖3b），細胞沿著溝槽取向排列。然而在平面基底上，細胞肌動蛋白纖維束的方向是隨機的，細胞隨機排列。不同尺寸參數(shù)的大面積溝槽陣列拓撲結(jié)構(gòu)對細胞行為產(chǎn)生了明顯的調(diào)控作用。 

圖3.  MOPL技術(shù)制備的正膠溝槽結(jié)構(gòu)的特征尺寸和細胞的浸潤行為 

　　該研究提供了一種基于正膠制備大面積跨尺度微納結(jié)構(gòu)的方案，提高了正膠的無掩膜光刻分辨率，并擴展了正膠微納加工在組織工程領(lǐng)域的新應用。 

　　本工作是飛秒激光面投影納米光刻技術(shù)及應用（Small 2023, 2300311; Nano  Lett. 2022, 2, 9823-9830; Opt. Express 2022, 30, 36791-36801;  Nano Lett. 2021, 21, 3915-3921）的拓展和深入。相關(guān)研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金項目和中國科學院國際伙伴計劃等項目的大力支持。 

　　論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202303572