跨尺度微納結構在光學、半導體、微機電、生物醫學和仿生領域中發揮著重要作用。正性光刻膠具有高分辨率和對環境友好的優點，在光刻領域有著廣泛的應用。器件微型化和集成化的發展，對跨尺度微納結構的制備提出了更高的要求。生物醫學和仿生領域也迫切地需要高精度且靈活化的微納結構制備技術。
傳統紫外曝光技術雖然可以實現高通量微結構的制備，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構，但不利于制備大面積跨尺度結構。飛秒激光直寫技術作為一種點對點的掃描光刻技術可以靈活的制備任意三維結構，然而其所制備的微納結構僅在數百微米，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構制備及其在組織工程領域應用方面取得了新進展。該團隊研究并優化了無掩膜投影光刻（MOPL）技術對正性光刻膠AZ P4620的加工性能，獲得112 nm的特征尺寸凹槽結構。通過單次曝光實現了尺寸在百微米、精度在納米級的跨尺度微納結構的制備。結合多子場拼接技術，高效制備出大面積溝槽陣列結構并應用于細胞浸潤行為調控。該研究提供了一種基于正膠的大面積跨尺度微納結構的制備方案，提高了正膠在無掩膜光刻技術中的分辨率，并擴展了其在組織工程領域的新應用。研究成果發表在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。
基于數字微鏡器件（DMD）的MOPL技術具備靈活化和高通量的特點。MOPL技術可利用DMD實時形成動態掩膜，具備靈活性。此外，MOPL技術在單次曝光中可同時實現數十萬個像素點的加工，對于制備大面積微納結構具有高效性。
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
位圖圖形可以實現對DMD的空間光場分布的調制，因此可通過位圖設計來實現多樣化微納結構的制備（圖1）。圖2中展示了基于填充型和輪廓型位圖的圖案化結構、功能性微流道結構以及尺寸在百微米、精度在納米級的跨尺度結構。
在MOPL技術中，像素數、激光功率和曝光時間影響著AZ P4620光刻膠加工性能。通過優化實驗條件，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的凹槽結構（圖3a）。
圖2. 基于正膠的圖案化和跨尺度微納結構
進一步地，受血管和皮膚內表面定向排列結構的啟發，得益于MOPL技術的靈活性和高效性，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構。通過熒光染色觀察發現，細胞在一系列溝槽陣列結構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。不同尺寸參數的大面積溝槽陣列拓撲結構對細胞行為產生了明顯的調控作用。
圖3. MOPL技術制備的正膠溝槽結構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構的方案，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域的新應用。
本工作是飛秒激光面投影納米光刻技術及應用（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
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