Name: 折纸灵感的图案和可重构颗粒自组装 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-02-04T09:53:00.000+00:00
Duration: 12 min 33 s
Description: 了解折纸灵感的图案化和可重构颗粒自组装方法，利用光刻和薄膜沉积技术制备二维前驱体，通过特定刺激触发折叠形成多面体和微夹持器。该技术可应用于药物递送和生物医学工程领域。

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我们感谢美国国家科学基金会（NSF）通过资助项目 CMMI 0854881 和 CBET 1066898 提供的资金支持。作者感谢 Matthew Mullens 提出的有益建议。

<ol><li>Syms, R. R. A., Yeatman, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembly+of+3-dimensional+microstructures+using+rotation+by+surface-tension+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics+Letters%22%5BJournal%5D)">Self-assembly of 3-dimensional microstructures using rotation by surface-tension forces.</a> Electronics Letters. 29 (8), 662-664 (1993).</li>
<li>Smela, E., Inganas, O., Lundstrom, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+folding+of+micrometer-size+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Controlled folding of micrometer-size structures.</a> Science. 268 (5218), 1735-1738 (1995).</li>
<li>Ebefors, T., Kalvesten, E., Stemme, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+small+radius+joints+based+on+thermal+shrinkage+of+polyimide+in+V-grooves+for+robust+self-assembly+3D+microstructures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">New small radius joints based on thermal shrinkage of polyimide in V-grooves for robust self-assembly 3D microstructures.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 8, 188-194 (1998).</li>
<li>Syms, R. R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+self-assembly+of+complex+microstructures+by+the+surface+tension+of+glass%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Rotational self-assembly of complex microstructures by the surface tension of glass.</a> Sensors and Actuators A. 65, 238-243 (1998).</li>
<li>Prinz, V. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Free-standing+and+overgrown+InGaAs%2FGaAs+nanotubes%2C+nanohelices+and+their+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+E%22%5BJournal%5D)">Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays.</a> Physica E. 6, 828-831 (2000).</li>
<li>Vaccaro, P. O., Kubota, K., Aida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain-driven+self-positioning+of+micromachined+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Strain-driven self-positioning of micromachined structures.</a> Applied Physics Letters. 78 (19), 2852-2854 (2001).</li>
<li>Schmidt, O. G., Eberl, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanotechnology%3A+Thin+solid+films+roll+up+into+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Nanotechnology: Thin solid films roll up into nanotubes.</a> Nature. 410, 168(2001).</li>
<li>Solder self-assembled micro axial flow fan driven by a scratch drive actuator rotary motor. Kladitis, P. E., Linderman, R. J., Bright, V. M. Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 21-25 Jan, Interlaken, Switzerland, , 598-601 (2001).</li>
<li>Gracias, D. H., Kavthekar, V., Love, J. C., Paul, K. E., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+micrometer-scale%2C+patterned+polyhedra+by+self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Fabrication of micrometer-scale, patterned polyhedra by self-assembly.</a> Advanced Materials. 14 (3), 235-238 (2002).</li>
<li>Dahlmann, G. W., Yeatman, E. M., Young, P., Robertson, I. D., Lucyszyn, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication%2C+RF+characteristics+and+mechanical+stability+of+self-assembled+3D+microwave+inductors%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Fabrication, RF characteristics and mechanical stability of self-assembled 3D microwave inductors.</a> Sensors and Actuators A. 97-98, 215-220 (2002).</li>
<li>A scanning micromirror with angular comb drive actuation. Patterson, P. R., et al. Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Jan 20-24, Las Vegas, Nevada, , 544-547 (2001).</li>
<li>Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Tension-Powered+Self-Assembly+of+Microstructures-The+State-of-the-Art%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Microelectromechanical+Systems%22%5BJournal%5D)">Surface Tension-Powered Self-Assembly of Microstructures-The State-of-the-Art.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).</li>
<li>Kubota, K., Fleischmann, T., Saravanan, S., Vaccaro, P. O., Aida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembly+of+microstage+using+micro-origami+technique+on+GaAs%5BTitle%5D)+AND+%22Japanese+Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Self-assembly of microstage using micro-origami technique on GaAs.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 42, 4079-4083 (2003).</li>
<li>Boncheva, M., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Templated+self-assembly%3A+Formation+of+folded+structures+by+relaxation+of+pre-stressed%2C+planar+tapes%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Templated self-assembly: Formation of folded structures by relaxation of pre-stressed, planar tapes.</a> Advanced Materials. 17 (5), 553-557 (2005).</li>
<li>Hong, Y. K., Syms, R. R. A., Pister, K. S. J., Zhou, L. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design%2C+fabrication+and+test+of+self-assembled+optical+corner+cube+reflectors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengneering%22%5BJournal%5D)">Design, fabrication and test of self-assembled optical corner cube reflectors.</a> Journal of Micromechanics and Microengneering. 15, 663-672 (2005).</li>
<li>Arora, W. J., Nichol, A. J., Smith, H. I., Barbastathis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+folding+to+achieve+three-dimensional+nanostructures%3A+Nanopatterned+silicon+nitride+folded+with+stressed+chromium+hinges%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Membrane folding to achieve three-dimensional nanostructures: Nanopatterned silicon nitride folded with stressed chromium hinges.</a> Applied Physics Letters. 88, 053108(2006).</li>
<li>Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Fabrication+at+Small+Size+Scales%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Fabrication at Small Size Scales.</a> Small. 6 (7), 792-806 (2010).</li>
<li>Wang, M. -F., Maleki, T., Ziaie, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+self-assembled+3D+microelectrode+array%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">A self-assembled 3D microelectrode array.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 035013(2010).</li>
<li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+microorigami%3A+self-folding+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Soft microorigami: self-folding polymer films.</a> Soft Matter. 7, 6786-6791 (2011).</li>
<li>Randall, C. L., Gultepe, E., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-folding+devices+and+materials+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Self-folding devices and materials for biomedical applications.</a> Trends in Biotechnology. 30 (3), 138-146 (2012).</li>
<li>Gimi, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembled+three+dimensional+radio+frequency+%28RF%29+shielded+containers+for+cell+encapsulation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Microdevices%22%5BJournal%5D)">Self-assembled three dimensional radio frequency (RF) shielded containers for cell encapsulation.</a> Biomedical Microdevices. 7 (4), 341-345 (2005).</li>
<li>Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+dimensional+nanofabrication+using+surface+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Three dimensional nanofabrication using surface forces.</a> Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).</li>
<li>Pandey, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Algorithmic+design+of+self-folding+polyhedra%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Algorithmic design of self-folding polyhedra.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (50), 19885-19890 (2011).</li>
<li>Leong, T. G., Benson, B. R., Call, E. K., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin+film+stress+driven+self-folding+of+microstructured+containers%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Thin film stress driven self-folding of microstructured containers.</a> Small. 4 (10), 1605-1609 (2008).</li>
<li>Leong, T. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tetherless+thermobiochemically+actuated+microgrippers%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Tetherless thermobiochemically actuated microgrippers.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (3), 703-708 (2009).</li>
<li>Cho, J. H., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembly+of+lithographically+patterned+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Self-assembly of lithographically patterned nanoparticles.</a> Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).</li>
<li>Azam, A., Laflin, K., Jamal, M., Fernandes, R., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-folding+micropatterned+polymeric+containers%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Microdevices%22%5BJournal%5D)">Self-folding micropatterned polymeric containers.</a> Biomedical Microdevices. 13 (1), 51-58 (2011).</li>
<li>Azam, A., Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compactness+determines+the+success+of+cube+and+octahedron+self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Compactness determines the success of cube and octahedron self-assembly.</a> PLoS One. 4 (2), e4451(2009).</li>
<li>Harsh, K., Lee, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+for+solder+self-assembled+MEMS%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">Modeling for solder self-assembled MEMS.</a> Proceedings of SPIE. 3289, 177-184 (1998).</li>
<li>Syms, R. R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Equilibrium+of+hinged+and+hingeless+structures+rotated+using+surface+tension+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Microelectromechanical+Systems%22%5BJournal%5D)">Equilibrium of hinged and hingeless structures rotated using surface tension forces.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 4 (4), 177-184 (1995).</li>
<li>Leong, T. G., Lester, P. A., Koh, T. L., Call, E. K., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+tension-driven+self-folding+polyhedra%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Surface tension-driven self-folding polyhedra.</a> Langmuir. 23, 8747-8751 (2007).</li>
<li>Harsh, K. F., Bright, V. M., Lee, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solder+self-assembly+for+three-dimensional+microelectromechanical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%22%5BJournal%5D)">Solder self-assembly for three-dimensional microelectromechanical systems.</a> Sensors and Actuators A. 77, 237-244 (1999).</li>
<li>Nikishkov, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Curvature+estimation+for+multilayer+hinged+structures+with+initial+strains%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Curvature estimation for multilayer hinged structures with initial strains.</a> Journal of Applied Physics. 94 (8), 5333-5336 (2003).</li>
<li>He, H. Y., Guan, J. J., Lee, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+oral+delivery+device+based+on+self-folding+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Controlled+Release%22%5BJournal%5D)">An oral delivery device based on self-folding hydrogels.</a> Journal of Controlled Release. 110 (2), 339-346 (2006).</li>
<li>Luchnikov, V., Sydorenko, O., Stamm, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-rolled+polymer+and+composite+polymer%2Fmetal+micro-+and+nanotubes+with+patterned+inner+walls%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Self-rolled polymer and composite polymer/metal micro- and nanotubes with patterned inner walls.</a> Advanced Materials. 17, 1177-1182 (2005).</li>
<li>Bassik, N., Abebe, B. T., Laflin, K. E., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photolithographically+patterned+smart+hydrogel+based+bilayer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Photolithographically patterned smart hydrogel based bilayer actuators.</a> Polymer. 51 (26), 6093-6098 (2010).</li>
<li>Jamal, M., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differentially+photo-crosslinked+polymers+enable+self-assembling+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Differentially photo-crosslinked polymers enable self-assembling microfluidics.</a> Nature Communications. 2 (527), 1-6 (2011).</li>
<li>Harazim, S. M., Xi, W., Schmidt, C. K., Sanchez, S., Schmidt, O. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+applications+of+large+arrays+of+multifunctional+rolled-up+SiO%2FSiO2+microtubes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Fabrication and applications of large arrays of multifunctional rolled-up SiO/SiO2 microtubes.</a> Journal of Materials Chemistry. 22, 2878-2884 (2012).</li>
<li>Randall, C. L., Kalinin, Y. V., Jamal, M., Shah, A., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-folding+immunoprotective+cell+encapsulation+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Nanomedicine%22%5BJournal%5D)">Self-folding immunoprotective cell encapsulation devices.</a> Nanomedicine. 7 (6), 686-689 (2011).</li>
<li>Kalinin, Y. V., Randhawa, J. S., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+dimensional+chemical+patterns+for+cellular+self-organization%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie%22%5BJournal%5D)">Three dimensional chemical patterns for cellular self-organization.</a> Angewandte Chemie. 50 (11), 2549-2553 (2011).</li>
<li>Randhawa, J. S., Keung, M. D., Tyagi, P., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reversible+actuation+of+microstructures+by+surface+chemical+modification+of+thin+film+bilayers%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Reversible actuation of microstructures by surface chemical modification of thin film bilayers.</a> Advanced Materials. 22 (3), 407-410 (2010).</li>
<li>Bassik, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enzymatically+triggered+actuation+of+miniaturized+tools%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Enzymatically triggered actuation of miniaturized tools.</a> Journal of the American Chemical Society. 132, 16314-16317 (2010).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

受折纸启发的组装工艺具有高度通用性，可用于合成多种材料、形状和尺寸的三维静态及可重构微粒。此外，在这些微粒上精确图案化传感器和电子模块的能力，对光学与电子学应用具有重要意义。相较于其他方法制备的斑图微粒通常图案精度较低，本方法能够实现精确图案化微粒的合成。在基于表面张力的组装过程中，采用可液化的密封铰链，可确保微粒在组装完成后（冷却后）具有良好的密封性和机械刚性。此前我们已观察到，即使对于小分子，这些接缝也具有完全的防漏性能。39,40组装后在表面电沉积一层薄金可增强结构强度，并提高接缝处的密封性。基于薄膜应力的折叠方法适用于需要刺激响应式折叠的应用场景，例如已用于执行操作的微夹持器。 体外 和 体内 生物采样以及机器人抓取与放置操作。尽管此处描述的具体方法可用于制备仅能闭合一次的可重构微夹持器，但通过合理选择材料和调控双层膜应力的方法，也可用于制备能够经历多周期重复重构的抓取装置。37, 41利用残余应力为这些装置提供动力的一个显著优势是，它们无需任何系绳或导线，因而具有出色的可操纵性，能够在难以到达的区域实现驱动。此外，通过合理选择聚合物触发材料，可使装置对多种刺激（包括酶）产生响应性行为。42 以实现与机器人技术和外科手术相关的自主功能。

<table><tbody><tr><td>950 聚甲基丙烯酸甲酯 A11 </td><td>Micro Chem</td><td>M230011</td><td>牺牲层</td></tr><tr><td>镀铬钨棒</td><td>R. D. Mathis Company</td><td>CRW-2</td><td>铬蒸发源</td></tr><tr><td>铜柱</td><td>Alfa Aesar</td><td>7440-50-8</td><td>铜蒸发源</td></tr><tr><td>金柱</td><td>Alfa Aesar</td><td>7440-57-5</td><td>金蒸发源</td></tr><tr><td>SPR 220 7.0</td><td>Rohm and Haas</td><td>10016640</td><td>正性光刻胶 </td></tr><tr><td>S 1800 系列光刻胶</td><td>Rohm and Hass</td><td></td><td>正性光刻胶 </td></tr><tr><td>Megaposit MF-26 A 显影液</td><td>Rohm and Haas</td><td>10016574</td><td>SPR 220 7.0 光刻胶显影液</td></tr><tr><td>Microposit 351 显影液</td><td>Rohm and Hass</td><td>10016653</td><td>S 1800 系列光刻胶显影液</td></tr><tr><td>硫酸镍</td><td>Technic Inc.</td><td>030175</td><td>镍电镀液</td></tr><tr><td>Techni Solder Mate NF 820 60/40 RTU</td><td>Technic Inc.</td><td>330681</td><td>铅锡铰链电镀液</td></tr><tr><td>APS 100 铜刻蚀液</td><td>Transene Company Inc.</td><td>021221</td><td>铜刻蚀液</td></tr><tr><td>CRE 473 铬刻蚀液</td><td>Transene Company Inc.</td><td>040901</td><td>铬刻蚀液</td></tr><tr><td>1-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M79603</td><td>用于铅锡铰链自折叠的高沸点有机溶剂</td></tr><tr><td>Indalloy 5RMA 助焊剂</td><td>Indium Corporation of America</td><td>FL28372</td><td>用于铅锡回流焊的表面清洁剂，可抑制氧化以保证良好焊接效果</td></tr></tbody></table>

受折纸启发的图案化与可重构颗粒自组装

Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles

已有多种技术可用于精确制备二维（2D）结构，例如光刻、电子束光刻和软光刻。这些技术已相当成熟，具有高精度，其中许多还可实现高通量操作。我们利用平面光刻的优势，并将其与自折叠方法1-20相结合，通过表面张力或残余应力产生的物理力，将平面结构弯曲或折叠成三维（3D）结构。通过这种方式，我们实现了对难以合成的精确图案化静态和可重构微粒的大规模制备。
本文详细介绍了用于制备图案化微粒的可视化实验方案，特别是：（a）通过液化铰链的表面能最小化实现自组装和自密封的永久键合中空多面体21-23；以及（b）由残余应力驱动铰链引发自折叠的抓取装置24,25。所描述的具体方案可用于制备尺寸范围从微米至厘米量级的微粒。此外，可在微粒表面定义任意图案，这在胶体科学、电子学、光学和医学领域具有重要意义。更广泛而言，这种具有自密封铰链的机械刚性微粒自组装概念，经过适当工艺调整后，也可应用于更小尺度（如100 nm量级）22,26微粒的制备，并可使用多种材料，包括金属21、半导体9和聚合物27。关于由残余应力驱动的可重构抓取装置，本方案具体采用铬制铰链，适用于尺寸范围为100 μm至2.5 mm的器件。然而，从更普遍的角度看，此类无需系绳的残余应力驱动机制还可结合其他高应力材料（如异质外延沉积的半导体薄膜5,7）来实现，有望用于制造更小的纳米级抓取装置。

我们描述了从二维（2D）前驱体合成具有图案化和可重构结构微粒的实验细节。该方法可用于在微米至厘米尺度范围内制备多种形状的微粒，包括多面体结构和抓取装置。

有多种技术可用于精确制备二维图案，例如光刻、电子束光刻和软光刻。

本方案可精确合成具有特定图案、不同形状和尺寸的静态及可重构微粒。首先，设计用于二维展开图的掩模，该展开图最终将自组装成目标图案化微粒。然后，将牺牲层和导电层沉积到平坦基底上。通过光刻、薄膜沉积和刻蚀工艺加工出包含面板和铰链结构的二维前体，随后溶解牺牲层，使二维前体从基底上释放。最终，将释放的二维前体暴露于特定刺激下，触发其折叠，形成尺寸从微米到厘米量级的三维结构。该技术的应用前景包括制造微型智能微粒，例如可用于人体难以到达部位进行活检的微粒。此外，该方法可适用于金属、半导体甚至聚合物，从而能够制备在药物递送中具有重要意义的微胶囊，特别是因为我们可以制备出非球形、多面体及多功能结构的微胶囊。与现有的乳液聚合法或颗粒模塑法相比，该技术的主要优势在于，它能将平面光刻技术的高精度和准确性转化为具有不同形状和尺寸的三维颗粒微结构。该方法的可视化演示至关重要，因为图案化和自折叠步骤较难掌握，需要同时具备光刻技术和自组装技术的操作经验。在本演示中，我们将制备静态的、永久密封的300微米大小的Dora，以及可重构的热敏微夹持器。首先使用二维矢量图形软件程序。第一步，确定多面体中的面板数量。接下来确定高产率的二维面板排列方式，也称为展开图。通常，具有最少红色子代且次级顶点连接数量最多的展开图能够以最高的效率进行组装。对于面板掩模，将多面体的面板以展开图形式绘制在平面上，相邻面板之间留出一定的间隙宽度。然后插入定位标记，以便后续与铰链掩模进行对齐。接下来创建铰链掩膜，在面板之间定义折叠铰链，同时在面板边缘处定义天花板铰链。然后验证面板掩膜与铰链掩膜是否精确对齐。天花板铰链在细胞折叠过程中具有较大的容错能力。现在，使用高分辨率打印机将掩模打印在透明薄膜上。从平整的基底开始进行基底制备。用甲醇、丙酮和异丙醇清洗硅片。然后用氮气吹干，并在150摄氏度下加热5到10分钟。在硅片上旋涂一层5.5微米厚的950 P-M-M-A-A 11，转速为1,100 RPM。三分钟后，在180摄氏度下将基底烘烤60秒。使用热蒸发沉积法，先沉积一层30纳米厚的铬作为粘附促进层，再沉积一层150纳米厚的铜作为导电层。随后，在1,700 RPM转速下旋涂约10微米厚的SPR 220光刻胶，旋涂时间为3分钟。接着，使用基于汞灯的掩膜对准仪，以约460毫焦耳/平方厘米的紫外光对晶圆进行掩膜曝光。在 MF 26 显影液中显影两分钟，补充显影液后继续显影两分钟。随后计算总面板面积，并计算从商用硫酸镍溶液中电沉积镍所需的电流。然后将晶圆浸入镍电镀液中。对铰链掩模重复进行旋涂和对准步骤。现在将晶圆切割成包含 50 至 60 个网状结构的小片，并用指甲油涂抹小片的边缘。接下来，计算总的暴露铰链面积，并利用该面积计算从商用焊料电镀液中电沉积铅锡焊料所需的电流。然后将晶圆浸入焊料电镀液中。用丙酮溶解光刻胶。用异丙醇冲洗晶圆片，并用氮气吹干。将晶圆片浸入刻蚀液PS 100中25至40秒，以溶解周围的铜层。用去离子水冲洗，并用氮气吹干。接着将晶圆片浸入刻蚀液CRE 473中30至50秒，以溶解周围的铬层。然后用蒸馏水冲洗，并用氮气吹干。最后将硅片碎片浸入2至3毫升的NMP中，在100摄氏度下加热3至5分钟，直至模板从基底上释放。将10至20个模板转移至一个小培养皿中，并使其均匀分布。然后加入约三到五毫升 NMP 和五到七滴 Delo 五 RMA 液态助焊剂，在 100 摄氏度下加热五分钟。助焊剂可清洁并溶解在 saer 表面形成的任何氧化层，从而在加热时确保良好的焊料回流。将加热板温度升高至 150 摄氏度，持续五分钟。缓慢升温至200摄氏度，直至培养皿冷却后发生折叠；将十二面体颗粒用丙酮清洗两次，再用乙醇清洗一次，然后将十二面体颗粒保存在乙醇中；对于带有金属牺牲层的可重构结构，将硅片碎片浸入PS 100中以刻蚀下方的铜牺牲层。等待微型夹持器完全从基底释放。用去离子水清洗释放后的微型夹持器，并将其保存在冷水中。然后通过将微型夹持器置于37摄氏度的水中来触发折叠。论文中描述的通用方案可用于制备图案化密封颗粒和可重构抓取装置。文中还包含了密封环形颗粒和可重构微型夹持器制备的具体可视化示例。通常情况下，至少需要两套掩模，一套用于不弯曲或不扭曲的刚性面板，另一套用于可弯曲、可扭曲或可密封的铰链区域。该图案采用自折叠微夹持器的掩模设计规则。使用 AutoCAD 程序设计二维前驱体的掩模。然后将二维前体加工到硅基底上，如这些四面体和微型夹持器的光学图像所示。该实现实例展示了按照本文详述的方案制备的四面体颗粒的自组装过程。在本研究中，微型夹持器在加热至37摄氏度时发生自折叠。此处图像展示了薄膜的组装过程，以及微夹持器在应力驱动下围绕微珠折叠，从而形成多种形状的自组装多面体微粒和可折叠微夹持器。David Fallac 制作的这一概念动画展示了由表面张力驱动的立方微粒组装过程。首先，将硅片与光刻掩模精确对准。然后，使用基于汞的掩模对准仪，将晶圆暴露于约 460 毫焦/平方厘米的紫外光下，通过掩模作用诱导立方体折叠。温度升高至铰链材料的熔点，使液态铰链因最小化暴露表面积而收缩成球状。边缘融合以最小化表面能并封闭颗粒，从而形成完整的多面体颗粒。制造和驱动过程具有高度并行性，可同时制造和触发三维结构。此外，可根据需要在全部三个维度以及选定的表面上定义精确的图案，例如方形或多边形孔。自折叠微夹持器可在生物相容性条件下闭合，因此可用于切除组织，或装载生物载荷。本示例展示了使用热敏微型夹持器进行膀胱组织提取的过程。此外，由于微型夹持器可由镍（一种铁磁性材料）制成，因此可以通过磁场实现远距离操控。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用受折纸启发的方法，合成具有精确图案、可重构性，并在多种尺寸、形状、表面图案及刺激响应重构性能方面具备灵活性的微粒。请务必遵循粒子自组装的主导设计规则，并理解该过程的工作原理。选择牺牲层面板和铰链的合适材料至关重要。例如，如果触发层在高温下会溶解，则不应选择需要高温溶解的牺牲层材料。该技术为微纳米技术领域的研究人员探索精确图案化的多面体和可重构颗粒在电子学、光学和医学中的开发与应用铺平了道路。

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Research

科研

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Chemistry

化学

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受折纸启发的图案化与可重构颗粒自组装

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