D激光微纳打印：化学方面的挑战

—— ||| 背景介绍 ||| ——

三维（3D）打印是世界范围内的一个大趋势。有人预测，十年内，所有制造的产品中有10％可以进行3D打印。其他人设想在所有家庭中，3D个人制造商（PF），类似于无处不在的个人计算机（PC）。最终，有可能3D打印任何功能设备，其功能范围从分子到宏观尺度“只需按一下按钮”。因此，3D打印在工业制造中获得了相当大的吸引力。在进入消费者市场之前，这些技术还可以实现许多科学应用。类似于2D图形打印中的“像素”（图像元素），3D打印结构由“体素”（体积元素）组成。体素可以通过机械装置（例如通过窄喷嘴），电气装置（例如通过尖锐尖端附近的强电场）或通过光化学手段（例如通过激光聚焦）在三维中定义和定位。考虑到3D打印结构中最小体素尺寸和可达到的最大体素总数，目前基于激光的方法处于领先地位。通过利用非线性和超分辨率概念，已经实现了远低于可见光波长的体素尺寸，并且没有看到基本的物理限制。在这篇评论中，因此，我们专注于基于激光的3D打印方法，用于细胞生物学和物理学中的特定应用，并且批判性地关注当前采用的提高书写结构的写入速度，分辨率和化学功能的方法。其他方法已在其他地方进行过审过去，3D微缩印刷也被称为直接激光写入（DLW），激光直接写入，3D激光光刻和3D激光增材制造。

—— ||| 创新与结论 ||| ——

3D打印是一种强大的新兴技术，用于制造高级功能材料。本综述总结了有关3D激光微米和纳米印刷的最新技术，并探讨了限制其充分利用的化学挑战：从用于细胞生物学和电子学的先进功能材料的开发到需要的化学屏障。克服以使分辨率低于衍射极限的快速写入速度。我们进一步探索化学方法，通过高波长选择（λ-正交）光化学过程，在一个抗蚀剂中直接激光写入多种材料。最后，化学过程构建自适应3D直写结构，能够响应外部刺激，如光，热，pH值或特定分子，并探索可降解支架的先进概念。因此，我们的文章不仅可以作为3D激光打印当前状态的概要，还可以确定为实现下一代微米级和纳米级3D材料而需要克服的关键障碍。

—— ||| 图文一览||| ——

图一 使用3D激光光刻/直接激光写入（DLW）的增材制造的基本原理

a）将液体负性光刻胶滴落到玻璃盖玻片上。

b）将飞秒脉冲激光聚焦到液体光刻胶中导致仅在聚焦体积中的双光子吸收，这引起空间控制的交联反应。

c）通过使激光焦点移动，可以制造任意三维微结构。

d）将基板浸入溶剂中并冲洗以除去未交联的液体光刻胶。

小结：通过使用具有高数值孔径的物镜，飞秒脉冲激光束紧密地聚焦到由单体基质分子和光引发剂的混合物组成的光敏液体材料中。作为光子的空间和时间集中的结果，局部强度高并且焦点中的两个（或更多个）光子的同时吸收。重要的是，焦点外的双光子概率低，这抑制了周边的累积效应。在焦点中，双光子吸收过程触发光化学交联过程。

图二 实现空间功能化三维微支架的不同方法的说明

a）将亲水性微支架浸入疏水性抗蚀剂中，并在特定点（a'）处写入小立方体（蓝色）。在显影结构（a''）之后，整个结构被蛋白质覆盖，该蛋白质仅粘附于疏水立方体（红色）而不粘附于亲水性框架（a’’’）。

b）微支架的表面均匀地涂有光反应性分子（b，b'）。在合适的反应配偶体存在下，特定区域被光活化并用正交结合配偶体（b''）功能化。钝化非官能化区域（用亲水性聚合物刷子）后，将结构浸入具有与结合配偶体（b'''）互补的功能的蛋白质的溶液中，从而导致位点选择性蛋白质结合。

c）亲水性功能性抗蚀剂的交联以形成光反应性微支架（c'）。在合适的反应配偶体存在下，用小分子配体（c''）照射和功能化支架的特定区域。沉浸在携带相应亲和标签的蛋白质溶液中导致空间生物功能化的微支架（c'''）。

d-d'''）视觉：λ正交抗蚀剂能够连续制造具有不同特性的结构，作为写入波长（d，d'）的函数。当这种结构浸入蛋白质溶液（d''）时，蛋白质仅与以一个波长（d''）写的区域结合。

实例：A）在如（a-a''）中所述制备的结构中生长的成纤维细胞。B）在如（b-b''）中所述制备的结构中生长的成纤维细胞。C）上皮细胞生长在用（c-c''）中描述的方法写入品红色光束的结构中。

小结：DLW已被证明有助于制造具有明确定义的几何形状的3D细胞微环境。已经进行了用选择性和图案化分布的相关生物分子是这些支架功能化的第一步。然而，到目前为止发表的大多数研究只是概念的证明。将DLW转移到生物医学应用需要进一步的进展，例如，用于再生医学的组织工程或高通量筛选应用。主要缺点是制造所需的时间，特别是对于多组分结构。先进的多响应λ正交抗蚀剂的开发将使得能够在更短的时间内写入更大和更复杂的结构（参见第5节）。另外，由于大多数生物分子在有机溶剂中不稳定，因此水溶性光致抗蚀剂对于特定的生物学应用是期望的，因此能够在生物分子存在下或直接在悬浮细胞周围书写支架。最后，需要具有“可按需切换”特性的动态系统来完全控制生物过程。例如，干细胞的体内维持和分化不仅受到静态细胞 - 细胞和细胞 - 基质粘附的控制，还受环境中动态变化的控制。在这里，蛋白质组成的变化，环境刚度的变化，营养和氧气的供应很重要。因此，必须完全控制蛋白质结合，蛋白质释放和人工3D生长基质的硬度。通过温度变化或通过使用光作为外部刺激，可以从亲水（蛋白质释放）转换为疏水性（蛋白质结合）和反之亦然的聚合物可以实现这种适应性。此外，迫切需要能够按需改变其交联密度并因此改变其机械性能的网络。通过温度变化或通过使用光作为外部刺激，可以从亲水（蛋白质释放）转换为疏水性（蛋白质结合）和反之亦然的聚合物可以实现这种适应性。此外，迫切需要能够按需改变其交联密度并因此改变其机械性能的网络。通过温度变化或通过使用光作为外部刺激，可以从亲水（蛋白质释放）转换为疏水性（蛋白质结合）和反之亦然的聚合物可以实现这种适应性。此外，迫切需要能够按需改变其交联密度并因此改变其机械性能的网络。

图三 DLW直写的导电结构示例

a）金属盐在溶液中直接光还原的示意图。

b）由AgNO ₃（1）和HAuCl ₄（2）的水溶液制备的2D图案的实例。

c）金属盐在聚合物基质中光还原的示意图。

d）在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基质（左）中制造的银线的实例。在聚乙烯基咔唑基质中制造的3D微结构的实例（右）。

e）DLW同时光聚合和光还原的示意图。

f）连接四个电极（左）和四个金垫（右）之间的垂直连接的金/聚合物线的示例。

小结：已经成功地实现了具有导电性的含2D金属微结构的制造，特别是在银的情况下。然而，具有金属样导电性的复杂3D独立式含金属微结构仍然难以制造。在特定情况下，聚合物基质的存在使得能够制备独立的3D结构; 然而，微结构最初是不导电的，并且需要额外的步骤，例如化学镀或热退火。还研究了半导体/聚合物复合材料作为用于制备功能性3D微结构的合适材料。尽管半导体材料具有独特的光学和电学性质，但由于其窄带隙和高折射率，它们在DLW中的应用具有很高的挑战性。

图四

a）具有四唑或α-甲基苯甲醛部分作为链末端的光反应性四臂星形聚合物。每种聚合物都带有卤素标签，以便以后在光刻胶中识别。

b）光反应功能的单光子吸收λ-正交性评估：尽管二苯基四唑只能在低波长下活化并且在较长波长下不显示反应性，但α-甲基苯甲醛也可以在长波长下活化（红移区域中的α-甲基苯甲醛活化，然后蓝色区域中的四唑活化）。

小结：到目前为止，通过3D激光打印制造的绝大多数结构仅由单一聚合物材料（和内部空隙）组成。如上所述，在DLW中甚至没有单独实现许多期望的性质。将它们中的许多组合在一个3D结构中是一项艰巨的挑战。技术解决方案是按顺序打印它们。理想的解决方案是定义新的化学方法，通过使用单个多组分光刻胶实现3D打印，使材料1可以写入波长λ ₁，材料2与波长λ ₂，等等，没有任何的相互串扰。

图五 3D微支架部分降解的情景

a）具有可降解部分的混合支架，其在施加均匀刺激后溶解。

b）通过脉冲IR激光照射选择性降解的可光降解支架。

小结：目前对称为自适应材料的研究很有前景。在宏观和中尺度材料领域，仍然可以在这个方向上进行研究。因此，在向DLW材料实施这些概念之前，可能还有很多需要发现和设计的工具。目前，在自主和智能行为方面考虑了适应性。然而，可被认为是第一适应性程度的方面是可降解性。在经典材料领域，这个属性已被大量研究。然而，DLW是一种附加方法，所得到的交联结构通常是永久性的。然而，人们希望在完成其3D打印（“减去制造”）之后选择性地移除结构内的部件。具体地，可以设想支架的一部分的受控降解，细胞定位在该支架上，并监测它们对机械变化环境的适应性。

图六 可交联材料中使用的可降解化学键，可用于3D直写制造可降解支架

小结：目前发现可用于激光直写的可降解化学键。

—— ||| 点评||| ——

3D激光光刻技术是一种新兴技术，具有很大的未来应用潜力。同样的，提供抗蚀剂技术，允许在活细胞存在的情况下通过可见光在缓冲水性环境中写入完全生物相容的结构，这将允许建立下一代精细可控的3D仿生培养物。理想地，这种结构的几何结构，机械性能和表面极性应该适合于外部场，从而为书写结构增加了另外的尺寸（4D印刷）。这种4D印刷材料在DLW驱动的微米和纳米结构制造领域中是罕见的。在抗蚀剂设计领域，通过使用不同波长来编写不同材料的多组分系统的开发仍然是难以捉摸的，尽管它可以提供具有多种特性的纳米和微结构，每个都与特定颜色的光相关联。这种多材料抗蚀剂（包括导电材料）将显着简化复杂微米和纳米材料的写入过程。超灵敏抗蚀剂能够以合理的总功率并行地进行数百或数千个激光束的激光写入，这也是非常需要的。最后，人们可能同时想要所有这些方面。

文献链接：3D Laser Micro- and Nanoprinting: Challenges for Chemistry. ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION 56(50): 15828-15845(2017). Barner-Kowollik, C ; Bastmeyer, M; Blasco, E ;  Delaittre, G; Muller, P ;  Richter, B ;  Wegener, M

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201704695

作者简介: 黄轶，华中科技大学，博士