跨尺度微纳结构在光学、半导体、微机电、生物医学和仿生领域中发挥着重要作用。正性光刻胶具有高分辨率和对环境友好的优点，在光刻领域有着广泛的应用。器件微型化和集成化的发展，对跨尺度微纳结构的制备提出了更高的要求。生物医学和仿生领域也迫切地需要高精度且灵活化的微纳结构制备技术。
传统紫外曝光技术虽然可以实现高通量微结构的制备，但受制于光学衍射极限，其分辨率仅停留在亚微米尺度。电子束光刻和聚焦离子束光刻虽然可以制备高精度的纳米结构，但不利于制备大面积跨尺度结构。飞秒激光直写技术作为一种点对点的扫描光刻技术可以灵活的制备任意三维结构，然而其所制备的微纳结构仅在数百微米，限制了其进一步的应用。
近日，中国科学院理化所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室郑美玲研究员团队在正胶跨尺度微纳结构制备及其在组织工程领域应用方面取得了新进展。该团队研究并优化了无掩膜投影光刻（MOPL）技术对正性光刻胶AZ P4620的加工性能，获得112 nm的特征尺寸凹槽结构。通过单次曝光实现了尺寸在百微米、精度在纳米级的跨尺度微纳结构的制备。结合多子场拼接技术，高效制备出大面积沟槽阵列结构并应用于细胞浸润行为调控。该研究提供了一种基于正胶的大面积跨尺度微纳结构的制备方案，提高了正胶在无掩膜光刻技术中的分辨率，并扩展了其在组织工程领域的新应用。研究成果发表在Small上，博士研究生郭敏为论文第一作者，郑美玲研究员为通讯作者。
基于数字微镜器件（DMD）的MOPL技术具备灵活化和高通量的特点。MOPL技术可利用DMD实时形成动态掩膜，具备灵活性。此外，MOPL技术在单次曝光中可同时实现数十万个像素点的加工，对于制备大面积微纳结构具有高效性。
图1． 飞秒激光无掩膜投影（MOPL）光路示意图及AZ P4620正胶的光化学反应
位图图形可以实现对DMD的空间光场分布的调制，因此可通过位图设计来实现多样化微纳结构的制备（图1）。图2中展示了基于填充型和轮廓型位图的图案化结构、功能性微流道结构以及尺寸在百微米、精度在纳米级的跨尺度结构。
在MOPL技术中，像素数、激光功率和曝光时间影响着AZ P4620光刻胶加工性能。通过优化实验条件，在激光功率为110 μW和曝光时间为800 ms的条件下，获得了特征尺寸为112 nm的凹槽结构（图3a）。
图2． 基于正胶的图案化和跨尺度微纳结构
进一步地，受血管和皮肤内表面定向排列结构的启发，得益于MOPL技术的灵活性和高效性，我们分别制备了凹槽宽度为1 μm，脊线宽度分别为1、5、10、15和20 μm的大面积沟槽阵列结构。通过荧光染色观察发现，细胞在一系列沟槽阵列结构上形成了沿沟槽方向的肌动蛋白纤维束（图3b），细胞沿着沟槽取向排列。然而在平面基底上，细胞肌动蛋白纤维束的方向是随机的，细胞随机排列。不同尺寸参数的大面积沟槽阵列拓扑结构对细胞行为产生了明显的调控作用。
图3． MOPL技术制备的正胶沟槽结构的特征尺寸和细胞的浸润行为
该研究提供了一种基于正胶制备大面积跨尺度微纳结构的方案，提高了正胶的无掩膜光刻分辨率，并扩展了正胶微纳加工在组织工程领域的新应用。
本工作是飞秒激光面投影纳米光刻技术及应用（Small 2023， 2300311； Nano Lett． 2022， 2， 9823－9830； Opt． Express 2022， 30， 36791－36801； Nano Lett． 2021， 21， 3915－3921）的拓展和深入。相关研究工作得到科技部纳米科技重点专项、国家自然科学面上基金项目和中国科学院国际伙伴计划等项目的大力支持。
