バイオインスパイアされた 3D ナノリソグラフィー!脂質インク拡散抑制を用いた3D構造の作成

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

小型デバイスやナノスケール構造の 3D プリントは、今日のナノ製造における大きな課題の 1 つです。複雑なフォトニックデバイス、スピントロニクス、センシング、再生医療、細胞工学、細胞運命制御などは、ナノスケールでのアクティブな構成要素の作成を必要とするさまざまな分野の代表的な例です。金属ナノ構造の 2D リソグラフィーはさまざまな技術 (特にフォトリソグラフィーと電子ビームリソグラフィー) によって確立されていますが、任意の形状のマイクロ/ナノスケールの 3D 金属構造を作成することは依然として課題となっています。そこで、スペインのマドリードにある材料科学研究所の Eider Berganza 氏とドイツのカールスルーエ工科大学の Michael Hirtz 氏は、ディップペンナノリソグラフィー構造の構成要素として液相リン脂質インクを使用し、インクの拡散抑制を利用する生物にヒントを得たアプローチに従って、2D および 3D 金属構造を構築する 2 つのプロセスを提案しました。血清アルブミンは脂質に結合する生来の能力を持つ、広く使用されているタンパク質であり、両方のプロセスにおいて重要な役割を果たします。脂質を書き込む前にサンプル表面をこれでコーティングすると、脂質が基板に固定され、最終的には金属構造を構築するための非常に安定した脂質ベースの 3D スキャフォールドの作成が可能になります。関連論文「脂質インク拡散抑制による3Dナノリソグラフィー」が雑誌「Small」に2022年12月20日掲載されました。

インクの広がりを制御するには、基材の機能化が重要です。表面は、脂肪が表面に拡散するのを防ぐために、非極性ヘッドグループを持つ自己組織化単分子膜で事前にコーティングされることがよくあります。一方、哺乳類の血漿中に最も多く含まれるタンパク質の 1 つである血清アルブミンは、サイズが小さく、安定性が高く、反応性がないため、免疫組織化学分析でよく使用されます。ウシ血清アルブミン（BSA）はさまざまな表面に吸着してもその結合部位の生物活性を維持できるため、私たちはそれを活用して基質の特性を調整し、脂質アンカー挙動を実現して、L-DPN中およびL-DPN後の脂質インクの拡散を防ぎました（図1a）。フォトリソグラフィーインクとして選択されたDOPCリン脂質を図1bに示します。 BSA コーティングされたシリコン基板（結晶構造を図 1c に示します）を準備した後、水の接触角を測定したところ（図 1d）、軽度の親水性（47 ± 2°）が示されました。原子間力顕微鏡 (AFM) 測定により、表面が球状 BSA タンパク質で完全に覆われていることが確認され (図 1e)、粗さは 2 nm 未満でした。

図1 （BSA）コーティング表面への脂質書き込み
1. 2Dリソグラフィー：脂質をフォトリソグラフィーマスクとして使用する<br /> 得られた脂質パッチの書き込みテストと厚さの比較により、BSA コーティングされた基板には他の機能化基板と比較して、実際に大幅に高い構造があることが示されました。これは脂質の拡散を妨げるためであると考えられます。なぜなら、他のリン脂質分子に積み重ねる方が、BSA でコーティングされた基質領域に拡散するよりもエネルギー的に有利であることが判明したからです。この特性により、任意の形状の厚い脂質ブロック（例えば、標準的な書き込み条件、すなわち 40% RH、1 μm s-1 の書き込み速度では 200 nm の厚さ）を書き込み、それをマスクとして使用し、さらにナノリソグラフィのステップに進んで脂質構造を任意の材料に変換することが可能になります。 2 段階のフォトリソグラフィープロセスが提案されています。このプロセスでは、脂質を使用して物理蒸着 (PVD) 中に表面領域を保護し、リフトオフプロセス後に型を作成し、その後に 2 回目の PVD とリフトオフのステップを実行します (図 2a ～ f のステップを参照)。

図 2 提案された 2D リソグラフィープロセスの概略図。たとえば、図 2g に示すように、L-DPN を使用して BSA 機能化表面に 20 × 20 µm の DOPC 正方形を書き込みます。鋳型構造（「ネガティブ」フォトリソグラフィー）を作成するために、脂質構造を含むサンプル上に Cr/Au の犠牲層（3 nm/ 20 nm）を蒸着し、その後すぐにサンプルをアセトン中で 15 分間超音波処理して脂質を剥離し、脂質構造と脂質の下の BSA の一部を溶解しました。図 2h は、このステップの後に作成された金型を示しています。次に、中空構造を埋めるために薄いニッケル膜を金型の上にスパッタリングし、接着性を確保するためにさらに 3nm の Cr バッファ層を適用しました (図 2i)。最後に、犠牲Cr / Au層をエタノール中で30分間超音波処理して剥離しました（図2j）。犠牲層 (Au) を除去するための 2 回目のリフトオフプロセス (図 2f、j) 中に、溶媒中の超音波によってクロム層と Au 層がリフトオフされました。

2. 3Dリソグラフィー<br /> L-DPN の機能を 2D から 3D に拡張するために、著者らは、パターン化されたリン脂質層の厚さをリソグラフィーパラメータを介して制御可能な方法でどのように変化させることができるかをテストしました。これを実現するために、同じ新しくコーティングしたプローブを使用して、BSA コーティングしたシリコン基板と純粋なシリコン基板の両方に脂質プリントを実行しました (図 3a ～ d を参照)。書き込み速度が上がると、相対湿度を40%一定に保ちながら4本の線がパターン化されます。予想通り、純粋なシリコン上にパターンを形成すると、基板への分子移動度の増加とそれに続く拡散により、書き込み速度が遅くなっても幅が広くなり、ほぼ同じ厚さの線が形成されました (図 3d)。対照的に、BSA コーティングされた表面では、書き込み速度の低下により線の太さが大幅に増加しました (図 3b)。これは、純粋なシリコン上のパターンよりも 1 桁大きい値です。したがって、書き込みパラメータ、つまり書き込み速度と相対湿度を調整することで、書き込まれた脂質特徴の厚さを制御し、構造を 3D でパターン化することができます。

達成可能な特徴線のサイズを調べるために、ウシ血清アルブミンでコーティングされた基板上の相対湿度と書き込み速度をスキャンすることによって体系的な実験が実行されました。得られた結果は、図3e、fに示すグラフに示されています。

図 3 パラメータ制御可能な 3D 脂質書き込み書き込みプロセス中に脂質ラインの厚さをその場で調整した後、著者らは 3D 構造を生成する方法として脂質システムのナノスケール積層製造プロセスを検討し始めました。ここでの疑問は、脂質層を連続的に重ねて書き込むことができるかどうかです (図 4a に示すように)。この目的のために、BSA でコーティングされた基板上にさまざまな構造がパターン化され、線やその他の幾何学的形状 (正方形、円、円形) が正方形の脂質パターンの上に直接書き込まれ (図 4b)、2 層または 3 層の構造が形成されました。図 4C、D に示されている数値データは、繰り返しごとに線の太さがどのように増加するかを示しています。これは最初の繰り返しでより顕著に発生しますが、繰り返し回数が増えるにつれて、達成される厚さは飽和値に近づくようです。要約すると、この実験は、L-DPN で層ごとに書き込むことによって 3D 構造を生成する可能性を実証しています。これまでの研究では、パターン化された脂質は親水性表面や炭化水素鎖の上に容易に拡散することが示されているため、この脂質上脂質構造は室温で数日間驚くほど安定していました。

図4 添加剤脂質層の製造

図 5 は、「ドット密度」方式を使用して印刷されたより複雑な構造の例、つまりドットビットマップを使用して描画された絵文字構造を示しています。点密度が高くなるほど脂質領域が厚くなり、最終的に 3D 構造になります。しかし、DOPC リン脂質分子は室温で液相脂質パッチを形成するため、多くの用途でその有用性が低下します。そこで、脂質構造を固定化する方法の一つとして、PVD メタライゼーション法が検討されました。提案されたプロセスを図5aに示します。そのため、サンプル上に 20 nm の Au 膜を蒸着して、現在の金属化構造を形成しました (図 5c-e の金属化ステップ前後のサンプルの形態を参照)。蒸発前後の構造は、Au 堆積プロセス中に発生した変化を追跡するために原子間力顕微鏡 (AFM) を使用して特徴付けられました。図 5d、f に示す AFM 画像とプロファイルは、脂質パッチが受けた高い衝突エネルギーにもかかわらず、構造の全体的な形状は変化していないことを示しています。注目すべきは、この過程で脂質構造が破壊されず、断面SEM画像が得られたことである（図5b）。 SEM 画像では、蒸発プロセス後に生じた粗さも示されています。要約すると、これらのパラメータを制御することで、ナノ/マイクロメートルスケールでの 3D 構造の製造が可能になり、このアプローチを複雑な 3D 構造の製造とデバイスの小型化への応用に拡張できることが実証されています。
図 5 3D 脂質構造の金属化過去 10 年間で、脂質膜パターン形成の進歩により、バイオセンサーから既存構造の機能化、光学構造のナノ加工に至るまで、さまざまな用途が生まれました。本研究では、脂質直接書き込み L-DPN を使用して金属 2D および 3D ナノ構造を印刷する 2 つの方法を提案しました。ナノスケールでの印刷プロセスの結果を制御することに重点が置かれるのは一般的にインクの設計に依存しますが、基板の特性はインク分子が印刷面に固定される方法で研究されます。著者らは、BSAタンパク質（基板上）とリン脂質（インクとして）間の強力な結合を利用することで、クリーンルームなどの特別なインフラストラクチャや電子ビームリソグラフィーなどの高価なリソグラフィー機器を必要とせずに、任意の形状と材料の2D構造を作成するための簡単なプロセスを実行できることを実証しました。さらに、書き込みパラメータによって書き込み時の厚さ寸法を制御したり、層ごとの書き込みプロセスを実現したりすることで、L-DPN の書き込み能力は 2D から 3D に拡張されます。低圧条件下および PVD などの高エネルギープロセス中、リン脂質パッチの完全性は非常に高く、原稿に示されている実験全体を通じて実証されています。全体として、この研究は低コストのナノファブリケーションの限界を押し広げ、3D 構造を作成するための独自の生物にヒントを得たアプローチを導入しています。

出典: https://doi.org/10.1002/smll.202205590

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