受折纸启发的图案化与可重构颗粒自组装

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。