加工精度 14nm我国科学家用蛛丝 3D 打印纳米「鱼」药物投递或迎起色登上《天然通讯_米乐体育在哪开户,m6米乐app官方官网

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米乐体育在哪开户:加工精度 14nm我国科学家用蛛丝 3D 打印纳米「鱼」药物投递或迎起色登上《天然通讯
时间:2022-10-04 03:11:58来源:m6米乐app官方 作者:米乐m6官网app

  中国科学院上海微体系所与上海交通大学联合研宣布的这种 3D 纳米机器人有望在智能仿生感知、药物投递等范畴发挥巨大的潜力。

  3D 打印资料是 3D 打印技能开展的重要物质根底,在某种程度上,资料的开展决议着 3D 打印能否有更广泛的运用。人类经过现代技能运用资料(包括天然和组成资料)来寻觅新的技能时机,许多新机遇和新发现本质上都植根于制作立异。3D 制作在曩昔的二十年中得到了深入研讨。

  跟着资料开发的协同前进,许多运用极大地获益于微 / 纳米标准 3D 结构和设备的高分辨率制作,例如微流体、折射 / 衍射光学、光子和机械超资料。

  src=但是,当特征变得更小,尤其是到达深纳米标准(即 100 nm)时,三维制作技能应战变得愈加杰出, 分辨率、结构安稳性和形状准确率是要害要素。关于细胞支架和医治性微 / 纳米机器人等生物医学运用来说,需求体系地评价 3D 制作结构的生物相容性、物理化学安稳性和功用化的难易程度。

  近期,中国科学院上海微体系所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚协作,用基因重组的蜘蛛丝蛋白 3D 打印出纳米机器人,加工精度到达 14 纳米。相关研讨成果宣布在世界出名学术期刊《天然 · 通讯》上。

  详细而言,该研讨团队立异开发了基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶,经过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量,结合依据百万级数量电子的大规模仿真模仿,实时操控加快电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、逗留方位和能量吸收峰,完成了分子等级精度的真三维纳米功用器材直写。该技能加工精度可达 14nm,挨近天然丝蛋白单分子标准(~10 nm),较之前技能提升了 1 个数量级。

  这一技能有望用于智能仿生感知、药物投递纳米机器人等范畴。陶虎表明,「14 纳米相当于蜘蛛丝蛋白单个分子的标准,现已迫近了精度极限。」

  其间 3D 打印所需的蜘蛛丝蛋白,是研讨人员从天然蜘蛛丝中提取出的一段强度好且重复性好的基因序列,然后放入大肠杆菌中进行培育。此外,研讨人员运用电子束进行三维光刻来进一步进步加工精度。相对传统电子束光刻用高电压(几十 kV)和薄胶(几十纳米)以确保光刻的准直度和分辨率,该研讨从低电压(几 kV)和厚胶(几微米)下手研讨。

  由于要在血液等环境中游动,纳米机器人被规划成了鱼的形状,能够在人体血糖环境中游动,当环境到达设定的酸碱度等条件就能主动降解,开释出药物。

  src=经过基因工程重组蜘蛛丝蛋白,能够在纳米标准上创立恣意高分辨率、高强度的三维结构。经过在 3D 蛋白质基质不同深度运用高能电子定量界说结构改变的才能,能够使多态性蜘蛛丝蛋白质挨近分子水平。此外,蜘蛛丝蛋白的遗传或介观润饰供给了将物理化学、生物功用嵌入和安稳在所制备的三维纳米结构中的时机。该研讨所用办法能够快速灵敏地制作异质功用化和分层结构的 3D 纳米组件和纳米设备,为仿生学、医治设备和纳米机器人供给了时机。

  src=还有网友表明:「十分棒,我还盼望着能有相似的机器人能进到血管协助打通和溶解血栓,这样许多心脏患者都不用做支架了。」

  电子束光刻(Electron beam lithography, EBL)以供给深纳米标准的加工分辨率而出名。当时,EBL 技能的一个首要约束是它们没有才能进行恣意 3D 纳米加工。其间,分辨率、结构完整性和功用性等都是最重要的要素。

  在深纳米标准上完成 3D EBL 的要害是:开宣布既能够经过电子束在不同可控深度下进行交联(cross-link),又具有杰出机械强度且在纳米标准上坚持杰出结构完整性的适宜资料。

  在这项工作中,研讨者对商用 EBL 东西—— Hitachi S-4800 型扫描电镜进行了修正,然后能够在曝光期间依据不同的结构几许来自习惯地调整加快电压(一般为 0.5 – 10 kV),详细如下图 1a 所示。

  接着,他们经过基因工程将组成重组蛛丝蛋白作为抗蚀剂,将纯水作为抗蚀剂显影剂。具有准确定向的非结晶(水溶)和结晶(不溶于水)蛛丝之间的结构改变进行清晰界说,挨近蛋白质基质内的分子水平。界说曝光点的电子的轨道由施加的加快电压来调理,然后使得 3 D 纳米制作具有很高的结构杂乱度。经过这种办法,研讨者运用重组蛛丝蛋白制作了一系列具有不同几许和结构杂乱度的 3D 杂乱纳米结构,其间最小特征标准为 14.8nm,详细如下图 1j 所示。

  这种办法结合了 MPL(多光子光刻)的无掩模直接 3D 书写和 EBL 的无与伦比光刻分辨率的优势。此外,对重组蛛丝蛋白的基因或介观修正为在制作的纳米结构中嵌入和安稳生物化学和 / 或生物功用供给了时机,然后为生物习惯和整合供给了巨大的潜力。

  研讨者替换调查了低加快电压(≤ 10 kV)电子与厚层抗蚀剂(以 μ m 计)之间的交互作用,这在曾经很少被探求,而且是成功地将 EBL 现有才能从 2D 纳米图画扩展至 3D 纳米制作的要害。

  电子的弹性散射具有相对较大的散射,但能量转移能够忽略不计。比较之下,电子的非弹性散射具有较小的散射视点,而且能够将一部分能量转移至抗蚀剂且导致抗蚀剂曝光,如下图 2a 所示。

  众所周知,非结晶蚕丝和蛛丝蛋白(水溶性)经过与能量电子的交互而发生交联,然后改变为结晶相(不溶于水)以完成纳米图画化。

  在这种情况下,研讨者首要运用依据 Casino Monte Carlo 模仿程序修正的自界说代码来模仿电子的轨道以及电子和抗蚀剂之间的能量转移,以探求 3D 空间中电子 - 蛋白质的交互作用,如上图 2b 所示。

  接着,研讨者表征了电子辐射后丝蛋白的结晶化以及与书写方向的联系,成果发现结晶程度高度依靠书写方向(x – y)。

  最终,也是最重要的,与具有类高斯分布的分子量的天然收成的丝蛋白比较,实验室制作的重组蛛丝具有界说杰出的分子量,而且更适用于纳米级的高精度图画化,然后在分辨率、对比度和长宽比等方面较以往蚕丝蛋白的光刻功用大大增强。

  重组蛛丝蛋白的基因或介观修正能够赋予 3 D 纳米组件和纳米器材不同的功用。得益于合理的规划和独创性,蛛丝能够从不同的视点进行重组,而且 3D 纳米结构的组成、形状和功用能够得到很好地装备。这就为运用 3D EBL 制作的功用性重组蛛丝蛋白中构建异质、分层的纳米结构供给了或许。

  下图 3 为运用功用性重组蛛丝蛋白制作的异质、分层和仿生 3D 纳米结构:

  创立具有高保线D 纳米结构的才能,为开发用于医治有用负载靶向制剂的仿生、生物相容、生物活性和生物降解的纳米机器人供给了或许。

  纳米鱼的功用性在单个设备中包括三个重要特征。关于设备推动(device propulsion),葡萄糖氧化酶(GOX)和过氧化氢酶(catalase)这两种酶嵌入并安稳在 3D 纳米鱼中,然后使得含葡萄糖环境中的生物燃料驱动的气体推动到达人体生理水平,如下图 4a 所示。

  关于定向运动操控,研讨者在纳米鱼的特定区域施加了不同剂量的电子辐射,以调整整个设备的酶活性,然后发生恰当的力梯度和不同的运动(如向上、向下、向左、向右以及顺逆时针),如下图 4b 所示。

  此外,纳米鱼中的浅绿色、亮绿色和深红色荧光别离代表动力学中的低功率、全功率和损耗功率状况。关于开释触发,纳米鱼能够轻松装载医治分子以及金纳米粒子、热敏或 pH 灵敏酶(如木瓜蛋白酶或胃蛋白酶),然后用于光敏、温调或 pH 调药物开释,如下图 4c 所示。

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