重大成果!電子束曝光(EBL)技術首次應用於蟬翅結構納米柱的仿生製造!

生物體從宏觀到微觀，再到納米尺度的多級複合結構，使其具有諸多獨特的優異性能。人們很早就開始模仿生物的特殊功能，來發明和應用新技術。

例如人們根據蒼蠅特殊的「複眼」結構，仿照製成了「蠅眼透鏡」，用它作鏡頭可以製成「蠅眼照相機」，一次就能照出千百張相同的相片；還有仿照水母耳朵的結構和功能，人們設計了水母耳風暴預測儀；根據蛙眼的視覺原理，研製成功了一種電子蛙眼，能準確無誤地識別出特定形狀的物體！

圖：蒼蠅特殊的「複眼」結構（圖片來源於網絡）

這就是早期的仿生學應用，但隨著科技的進步和納米技術的迅速發展，人們開始將仿生學應用到納米尺度，研究者通過模仿生物的納米結構仿生製造出類似的超微結構，以此來探究和獲取生物的特殊功能。在納米微結構加工領域，常用的微納光刻技術有納米壓印、紫外光刻、X射線曝光等技術。

而在最近的一項研究中，昆士蘭科技大學的研究團隊首次將電子束曝光（EBL）技術應用於生物納米結構的仿生製造，並取得了重要研究成果。目前，該項研究論文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）錄用，論文題目為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製備工作由TESCAN 的EBL完成，並使用了TESCAN MIRA3場發射掃描電子顯微鏡表徵細胞間相互作用。

圖：研究論文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）錄用

由於蟬翼具有多功能生物特性，如超疏水性，自清潔和殺菌作用等，人們對其在生物醫學上的應用產生了濃厚興趣。昆士蘭科技大學Prasad KDV Yarlagadda及其研究團隊對蟬翼的殺菌和細胞相容特性進行了系統研究，並首次使用電子束曝光技術（EBL）進行蟬翼結構的仿生製造，加工出類似的納米錐陣列結構，經研究發現，其同樣具有殺菌和生物相容性。

首先，研究人員使用了SEM，AFM，TEM等多種微觀分析技術對三種不同種類的澳大利亞蟬翅膀表面的納米結構進行了表徵。研究人員觀察到，三種蟬翼表面均具有獨特的形貌結構，雖然凸起的高度、直徑、間距和密度並不完全相同，但都呈現出錐狀的納米柱陣列。

圖：不同物種的蟬翅具有不同高度、間距、直徑和密度的納米柱結構

研究人員分別採用了在蟬翼上附著銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌細胞和人成骨細胞的方法來探究昆蟲翅膀的殺菌活性和生物相容性。實驗證明，三種蟬翼均具有很好的殺菌活性，且附著人成骨細胞的蟬翅細胞形態在24小時後仍然保持完整，表明它們仍然具有生物相容性。

在該項研究中，研究人員嘗試進行蟬翼結構的仿生製造。由於是納米尺度的陣列結構，一般的刻蝕、沉積方法均無法實現。而常規的電子束曝光（EBL）技術也無法實現如此規模的錐體製造。

昆士蘭科技大學的研究團隊巧妙地利用電子束在光刻膠中的散射，通過控制電子束能量，製作出椎體的「模子」，然後利用沉積生長出需要的椎體，最後腐蝕掉所有光刻膠，得到了完美的納米錐陣列。

圖：仿生納米錐陣列的製作過程示意圖

最終製備的仿生Ti納米錐的高度為116 ~282nm，錐形柱的頂端直徑最小達13.3nm，底部直徑93.6nm左右。並且，進一步實驗發現，其同樣具有殺菌性和生物相容性。昆士蘭科技大學的這項研究成果對於納米仿生學的應用具有重大意義。  

圖：通過EBL技術製備的仿蟬翼結構的Ti納米錐陳列

圖：（E）在製備出的仿生Ti納米錐陣列上附著銅綠假單胞菌細胞；（F）對照Ti柱和仿生納米Ti柱上附著的人成骨細胞的活性；（G）在仿生Ti納米錐陣列上附著擴散良好的成骨細胞；

電子束曝光（EBL）技術是一種電子束直寫技術，是利用電子束在塗有對電子敏感的高分子聚合物（光刻膠）的基底上直接描畫出圖形，通過刻蝕實現微小結構的加工。電子束曝光（EBL）技術避免了傳統方法中對模板加工和使用的複雜過程，其高分辨、高度靈活性、高靈敏度的特點也受到研究人員關注，且EBL製備方法更加簡單，更容易製備出小尺寸的各種花樣的周期性結構。

在上述工作中，昆士蘭科技大學研究團隊使用了TESCAN MIRA3高分辨場發射掃描電子顯微鏡搭配TESCAN自主研發的電子束曝光（EBL）技術出色完成了相關工作。

不久前，昆士蘭科技大學新採購了一臺TESCAN最新的S8000X Xe Plasma FIB-SEM，這是一款功能強大的氙等離子源FIB，配置了TESCAN最新一代的多項專利技術，期待昆士蘭科技大學未來取得更多的研究成果！

圖：昆士蘭科技大學最新採購的TESCAN S8000X Xe等離子源FIB-SEM

 

注釋：該項研究由昆士蘭科技大學研究團隊完成，相關論文目前已通過了英國皇家化學學會（Royal Society of Chemistry）評審，論文稿件已被錄用，將於不久後在網上公開發布。