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重大成果!电子束曝光(EBL)技术首次应用于蝉翅结构纳米柱的仿生制造!


生物体从宏观到微观,再到纳米尺度的多级复合结构,使其具有诸多独特的优异性能。人们很早就开始模仿生物的特殊功能,来发明和应用新技术。


例如人们根据苍蝇特殊的“复眼”结构,仿照制成了“蝇眼透镜”,用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”,一次就能照出千百张相同的相片;还有仿照水母耳朵的结构和功能,人们设计了水母耳风暴预测仪;根据蛙眼的视觉原理,研制成功了一种电子蛙眼,能准确无误地识别出特定形状的物体!


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图:苍蝇特殊的“复眼”结构(图片来源于网络)


这就是早期的仿生学应用,但随着科技的进步和纳米技术的迅速发展,人们开始将仿生学应用到纳米尺度,研究者通过模仿生物的纳米结构仿生制造出类似的超微结构,以此来探究和获取生物的特殊功能。在纳米微结构加工领域,常用的微纳光刻技术有纳米压印、紫外光刻、X射线曝光等技术。


而在最近的一项研究中,昆士兰科技大学的研究团队首次将电子束曝光(EBL)技术应用于生物纳米结构的仿生制造并取得了重要研究成果。目前,该项研究论文已被Journal of Materials ChemistryIF=4。776录用,论文题目为Multi-biofunctional properties of three species of cicada wings and biomimetic fabrication ofnanopatterned titanium pillars。


研究中涉及的大量仿生制备工作由TESCAN EBL完成,并使用了TESCAN MIRA3场发射扫描电子显微镜表征细胞间相互作用


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图:研究论文已被Journal of Materials ChemistryIF=4.776录用


由于蝉翼具有多功能生物特性,如超疏水性,自清洁和杀菌作用等,人们对其在生物医学上的应用产生了浓厚兴趣。昆士兰科技大学Prasad KDV Yarlagadda及其研究团队对蝉翼的杀菌和细胞相容特性进行了系统研究,并首次使用电子束曝光技术(EBL)进行蝉翼结构的仿生制造,加工出类似的纳米锥阵列结构,经研究发现,其同样具有杀菌和生物相容性


首先,研究人员使用了SEM,AFMTEM等多种微观分析技术对三种不同种类的澳大利亚蝉翅膀表面的纳米结构进行了表征。研究人员观察到,三种蝉翼表面均具有独特的形貌结构,虽然凸起的高度、直径、间距和密度并不完全相同,但都呈现出锥状的纳米柱阵列。


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图:不同物种的蝉翅具有不同高度、间距、直径和密度的纳米柱结构


研究人员分别采用了在蝉翼上附着铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌细胞和人成骨细胞的方法来探究昆虫翅膀的杀菌活性和生物相容性。实验证明,三种蝉翼均具有很好的杀菌活性,且附着人成骨细胞的蝉翅细胞形态在24小时后仍然保持完整,表明它们仍然具有生物相容性。


在该项研究中,研究人员尝试进行蝉翼结构的仿生制造。由于是纳米尺度的阵列结构,一般的刻蚀、沉积方法均无法实现。而常规的电子束曝光(EBL)技术也无法实现如此规模的锥体制造。


昆士兰科技大学的研究团队巧妙地利用电子束在光刻胶中的散射通过控制电子束能量,制作出椎体的“模子”,然后利用沉积生长出需要的椎体,最后腐蚀掉所有光刻胶,得到了完美的纳米锥阵列。


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图:仿生纳米锥阵列的制作过程示意图


最终制备的仿生Ti纳米锥的高度为116 ~282nm,锥形柱的顶端直径最小达13。3nm,底部直径93.6nm左右。并且,进一步实验发现,其同样具有杀菌性和生物相容性。昆士兰科技大学的这项研究成果对于纳米仿生学的应用具有重大意义。


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图:通过EBL技术制备的仿蝉翼结构的Ti纳米锥陈列


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图:E)在制备出的仿生Ti纳米锥阵列上附着铜绿假单胞菌细胞;F)对照Ti柱和仿生纳米Ti柱上附着的人成骨细胞的活性;(G)在仿生Ti纳米锥阵列上附着扩散良好的成骨细胞;


电子束曝光(EBL)技术是一种电子束直写技术,是利用电子束在涂有对电子敏感的高分子聚合物(光刻胶)的基底上直接描画出图形,通过刻蚀实现微小结构的加工。电子束曝光(EBL)技术避免了传统方法中对模板加工和使用的复杂过程,其高分辨、高度灵活性、高灵敏度的特点也受到研究人员关注,且EBL制备方法更加简单,更容易制备出小尺寸的各种花样的周期性结构。


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