折纸灵感的图案和可重构颗粒自组装
February 4th, 2013
我们描述的图案化和可重构的粒子从二维（2D）的前体的合成的实验细节。这个方法可以用于创建粒子的各种形状，包括多面体和把持装置在长度尺度范围从微至厘米级。
该协议合成了不同形状和大小的精确图案化的静态和可重构颗粒。首先，为二维网络设计掩模，最终将自组装成所需的图案化颗粒。然后将牺牲层和导电层沉积到平坦的衬底上。
通过使用光刻薄膜沉积对面板和铰链进行图案化来制造 2D 前驱体，然后蚀刻溶解牺牲层以从衬底中释放 2D 前驱体。最终，释放的 2D 前驱体暴露在特定的刺激下，以触发从微米到厘米级的颗粒折叠。这项技术的影响延伸到创造微型化的智能颗粒，包括那些可以在身体难以到达的地方进行活检的颗粒。
此外，该方法可用于金属、半导体甚至聚合物，因此我们可以制造出在药物递送中可能很重要的胶囊，特别是因为我们可以在非球形和多功能几何形状中制造它们。与现有方法（如粒子的情感、聚合或成型）相比，该技术的主要优点是，该方法将全光刻的准确性和精度转化为不同形状和大小的颗粒的三维图案。这种方法的视觉演示至关重要，因为图案化和自折叠步骤很难学习，因为它们需要光刻和自组装技能。
在本演示中，我们将制造静态、永久密封的 300 微米 Dora 以及可重新配置的热敏微型夹具。从二维矢量图形软件程序开始。首先，确定多面体中的面板数量。
继续计算面板的高产量二维排列，也称为网络。具有最低红色子生成和最大次级顶点连接数的网络通常与最高的尾部组装在一起对于面板掩码，将多面体的面板绘制为网络空间，相邻面板绘制间隙宽度。然后插入注册表标记，以便随后与铰链掩码对齐。
现在，对于铰链遮罩，定义面板之间的折叠铰链。此外，定义面板边缘的天花板铰链。然后验证面板和铰链掩码是否与 registry Ceiling 铰链叠加，在单元折叠过程中提供了相当大的容错能力。
现在，使用高分辨率打印机在透明胶片上打印蒙版。从平坦的基材开始基材制备。用甲醇、丙酮和异丙醇清洁硅晶片。
然后用氮气干燥并在 150 摄氏度下加热 5 到 10 分钟。在硅晶片旋涂上，以 1， 100 RPM 的速度形成一层 5.5 微米厚的 950 P-M-M-A-A 11。三分钟后，将基材在 180 摄氏度下烘烤 60 秒。
使用热蒸发器沉积物、30 纳米铬的附着力促进剂和 150 纳米铜的导电层。然后以 1， 700 RPM 的转速加入约 10 微米厚的 SPR 220 旋涂，放置 3 分钟。现在，使用每平方厘米约 460 毫焦耳的紫外线和基于汞的掩模对准器将晶圆暴露在面板掩模上。
在 MF 26 显影剂中开发 2 分钟，补充显影剂解决方案，再开发 2 分钟。继续计算面板总面积，并计算从商业硫酸镍溶液中电极沉积镍所需的电流。然后将晶片浸入镍电镀液中。
对铰链掩码重复旋涂和对齐步骤。现在将晶圆切成包含 50 到 60 个网的小块。用指甲油涂上碎片的边缘。
接下来，计算总暴露的铰链面积，并使用它来计算从商业焊料电镀溶液中电极沉积铅锡焊料所需的电流。然后将晶圆浸入焊料电镀溶液中。将光刻胶溶解在丙酮中。
用 IPA 冲洗晶圆片并用氮气干燥，将晶圆片浸入 PS 100 蚀刻中 25 至 40 秒，以溶解周围的铜层。用蒸馏水冲洗并用氮气干燥。现在将晶圆片浸入蚀刻 CRE 473 中 30 到 50 秒，以溶解周围的铬层。
然后用蒸馏水冲洗并用氮气干燥。最后，将晶圆片浸入 2 到 3 毫升 NMP 中，并在 100 摄氏度下加热 3 到 5 分钟，直到模板从衬底中释放出来。将 10 到 20 个模板转移到一个小培养皿中，并均匀分配。
然后加入大约 3 到 5 毫升 NMP 和 5 到 7 滴 Delo 5 RMA 液体助焊剂，在 100 摄氏度下加热 5 分钟。助焊剂可清洁和溶解 saer 上形成的任何氧化层，从而确保在加热时具有良好的焊料回流。将热板温度升高至 150 摄氏度，持续 5 分钟。
缓慢升高至 200 摄氏度，直到培养皿冷却后发生折叠，用丙酮冲洗十二面体两次，用乙醇冲洗一次，将十二面体颗粒储存在乙醇中，用于具有金属牺牲层的可重构结构，将晶圆片浸入 PS 100 中以蚀刻下面的铜牺牲层。等待微型夹持器完全从基材上释放。用去离子水冲洗释放的微型夹持器，并将其保存在冷水中。
然后通过将微型抓手放入 37 摄氏度的水中来触发折叠。手稿中描述的通用协议可用于制造模式密封颗粒和可重新配置的抓取装置。还包括我们用于制造密封 toral 颗粒和可重新配置的微型夹具的特定可视化示例。
作为一般规则，至少需要两个遮罩集，一个用于不弯曲或弯曲的刚性面板，另一个用于弯曲曲线或密封的铰链区域。此模式使用自折叠微型夹持器的面罩设计规则。AutoCAD 程序用于设计 2D 前驱体的掩模。
然后，将 2D 前驱体制造成硅衬底，如 dedra 和微型夹具的光学图像所示。这种实现显示了 Dedra 粒子的自组装，如详细协议中所准备的那样。在本文中，微型抓手在热量的作用下在 37 摄氏度时自动折叠。
这里的图像描绘了薄膜的组装，微夹具围绕珠子的应力驱动折叠，可以创建各种形状的自组装多面体颗粒，以及折叠微型夹具。David Fallac 的这个概念动画显示了立方体粒子的表面张力驱动组装。首先，硅晶片和光掩模精确对准。
然后，使用每平方厘米约 460 毫焦耳的紫外线和基于汞的掩模对准器将晶圆暴露在面板掩模上，以诱导立方体折叠。温度升高到铰链材料的熔点，导致液体铰链起球，以最大限度地减少暴露的表面积。边缘融合以最小化其表面能并密封颗粒，从而形成完整的多面体颗粒。
制造和驱动过程高度并行，可以同时制造和触发 3D 结构。此外，如果需要，可以在所有三个维度和选定面上定义以方形或三角形孔为示例的精确图案。自折叠微型抓手可以在生物良性条件下关闭，以便可用于切除组织或装载生物货物。
本例显示了使用热敏微型夹持器提取膀胱组织。此外，由于微型夹持器可以由镍（一种铁磁材料）制成，因此可以利用磁场从远处移动。观看此视频后，您应该对如何利用受折纸启发的方法来合成各种大小、形状、表面图案的精确图案和可重构颗粒，并激发响应式可重构性有一个很好的了解。
请记住遵循颗粒自组装的管理设计规则，并了解该过程的工作原理。为牺牲层面板和铰链选择合适的材料非常重要。例如，如果您的触发层在这些高温下溶解，则不应选择需要高溶解温度的牺牲层。
这项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粒子在电子、光学和医学中的开发和应用铺平了道路。
概述
本协议从二维前体合成图案化和可重构粒子。该方法允许在微米到厘米的尺度上创建各种形状的粒子，包括多面体和微型夹具。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 纳米技术
- 生物医学工程
背景
- 图案化粒子可用于多种应用，包括药物输送。
- 该技术提高了三维粒子制造的精度。
- 自组装技能对于成功实施此方法至关重要。
- 现有方法通常缺乏这种新方法提供的精度。
研究目的
- 开发合成静态和可重构粒子的协议。
- 展示生物医学应用复杂几何形状的制造。
- 为光刻和自组装的挑战性步骤提供视觉指导。
使用的方法
- 设计自组装成粒子的二维网格的掩膜。
- 使用光刻和薄膜沉积技术。
- 蚀刻和溶解牺牲层以释放二维前体。
- 使用特定刺激触发前体的折叠。
主要结果
- 成功制造静态和可重构粒子。
- 展示了微型夹具和多面体结构的创建。
- 为未来药物输送应用提供了全面的协议。
- 展示了该方法在各种材料中的多功能性。
结论
- 该协议能够创建复杂的多功能粒子。
- 这种方法可以显著推进智能材料领域的发展。
- 视觉演示对于有效学习这些技术至关重要。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables the mass production of precisely patterned, reconfigurable particles at micro- to centimeter scales, addressing a key challenge in biomedicine: creating multifunctional, stimuli-responsive systems for targeted interventions. By combining planar lithography precision with self-assembly, it supports the development of smart particles capable of tissue biopsy and localized drug delivery, reducing reliance on invasive procedures. The method enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, scalable platforms for probing biological mechanisms and validating therapeutic hypotheses.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of biological pathways through precise, patterned 3D particles that mimic complex tissue interfaces.
- Operational Value: Supports hypothesis testing via reconfigurable micro grippers that can excise tissue samples under biologically benign conditions.
- Predictive Value: Facilitates mechanistic de-risking by allowing controlled, stimulus-responsive manipulation of biological cargo in vitro.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, reconfigurable particles with defined surface patterns for high-fidelity compound screening in 3D microenvironments.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through parallel fabrication and simultaneous triggering of thousands of particles across wafer-scale substrates.
- Technical Value: Enables quantitative readouts via magnetic or thermal actuation, supporting dose-response analysis in phenotypic screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical stages by producing particles functional in physiologically relevant conditions (e.g., 37°C actuation).
- Operational Value: Supports continuity from in vitro validation to in vivo models through biocompatible, remotely controllable (e.g., magnetic) micro grippers.
- Risk Mitigation: Reduces translational failure risk by enabling iterative design-test cycles using the same lithographic platform across material systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, offering a reusable platform for generating mechanistic insights and functional prototypes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven design of particles that probe cellular interactions and microenvironmental responses.
- Screening: Delivers assay-ready particles with precise geometry and surface patterning for reliable compound interaction readouts.
- Analytics: Provides quantifiable outputs via folding kinetics, actuation thresholds, and cargo release profiles under controlled stimuli.
- Translational Research: Enables progression to preclinical studies via biocompatible, thermally triggered grippers functional at physiological temperatures.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable lithography-based platform adaptable across metals, semiconductors, and polymers for diverse R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances target validation confidence through precise, reconfigurable models of biological interfaces.
- Operational Value: Delivers high-throughput, parallel fabrication with minimal batch-to-batch variability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early-stage functional validation of therapeutic concepts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by generating mechanistic data that de-risks investment in complex delivery systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photolithography, thin-film deposition, and sacrificial layer etching.
- Depends on access to mask aligners, thermal evaporators, and electroplating stations for multi-layer patterning.
- Necessitates cross-team standardization of mask design rules and stimulus-response protocols.
- Involves material-specific adaptation for hinge and panel layers to ensure reliable folding and sealing.
- Limited by the need for precise thermal or chemical triggering, which may constrain use in certain biological environments.
