專利名稱：微器件制造技術(shù)
微器件制造對相關(guān)申請的交叉引用本申請要求提交于2008年1月2日的第61/018，599號美國臨時專利申請的優(yōu)先 權(quán)，通過引用將該申請的全部內(nèi)容合并于此。政府利益聲明本發(fā)明是在美國國家科學基金會提供的政府資助(批準號0317032)下作出的。美 國政府對本發(fā)明享有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
目前，對制造和評估小型器件的方法存在相當大的興趣，這些小型器件用在包括 細胞圖案化、神經(jīng)元回路工程、干細胞研究、細胞生物傳感器、細胞動力機以及微流體和微 機械器件的應(yīng)用中。作為該需求的結(jié)果，開發(fā)了多種技術(shù)來制造這樣的器件。包含對X射線或深紫外線的使用的方法如光刻法是用于產(chǎn)生二維微結(jié)構(gòu)的公知 方法。還開發(fā)了以利用自組裝單層對表面化學性質(zhì)的修改以及微接觸打印為基礎(chǔ)的微尺度 制造方法。然而，這些方法在產(chǎn)生特別感興趣的任意三維結(jié)構(gòu)的能力方面都非常有限。另 外，通過這些方法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)常常具有有限的生物相容性。已開發(fā)了幾種方法來滿足這種對三維結(jié)構(gòu)的興趣，包括仿生基質(zhì)構(gòu)形法 (biomimetic matrix topography)和雙光子或多光子光刻法。仿生基質(zhì)構(gòu)形法通過從生物 表面去除上皮層或內(nèi)皮層以暴露支撐基底膜或基質(zhì)、然后使用基底膜或基質(zhì)作為用于聚合 物澆鑄的模子來產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)。然后，使用澆鑄的聚合物作為生物材料澆鑄的負模。然而， 該技術(shù)需要使用生物表面，這限制了可由該方法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的構(gòu)形。多光子光刻法是使激光束在通常涂覆有包含獨特染料的聚合物樹脂的襯底上掃 描以產(chǎn)生期望的硬化聚合物結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該激光寫過程利用了交聯(lián)化學反應(yīng)只在分子已吸 收多個光子的光的情況下發(fā)生這一事實。由于多光子-光子吸收速率隨著距激光焦點的距 離的增大而迅速降低，所以只有非?？拷裹c的分子才接收到足以吸收兩個光子的光。因 此，這樣的方法允許對所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的構(gòu)形進行相當大程度的控制。然而，這樣的方法目前 需要昂貴的且高度專業(yè)化的過程以及從經(jīng)濟上看相當大量的時間和材料來產(chǎn)生這樣的器 件的原型。

發(fā)明內(nèi)容
為了以經(jīng)濟且省時的方式制造和評估復(fù)雜的三維微機構(gòu)，必須提供允許不使用高 度專業(yè)化設(shè)備而制造這樣的器件的方法。此外，為了使這樣的微器件廣泛適用于生物科學 和其它相關(guān)領(lǐng)域，這樣的方法必須允許使用多種多樣的材料。根據(jù)某些實施例，本公開涉及 一種這樣的掩模引導(dǎo)的光刻系統(tǒng)和方法其提供使用適合于快速原型制作和累接的簡易過 程來產(chǎn)生復(fù)雜的三維毫微及微結(jié)構(gòu)的手段。根據(jù)某些實施例，本公開還提供使用這樣的方 法和系統(tǒng)形成的合成物。在閱讀了下面對各實施例的描述后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易明白本發(fā)明的特征和
4優(yōu)點。


通過部分地參考以下描述和附圖，可以理解本公開的一些具體的示例實施例。圖1示出了將掩模對象(左畫面中的家蠅；比例尺，2mm)放置在與顯微鏡物鏡的 前焦平面共軛的平面內(nèi)，這引導(dǎo)了使用多光子光刻法制造使用牛血清白蛋白(BSA)和亞 甲基藍作為光敏劑的對象負片(微分干涉相襯(DIC)圖像的蒙太奇，中間畫面；比例尺， 20 μ m)。該圖像中劃分為1和2的區(qū)域用掃描電子顯微圖(SEM)(右畫面；比例尺，1 μ m)詳 細示出。圖2示出了依次使用兩個單獨的掩模制造的兩層BSA微結(jié)構(gòu)㈧。重疊區(qū)域?qū)⒓?菌從底層分流到二層閣樓。(B)是所得到的兩層BSA微結(jié)構(gòu)的SEM。(C)是DIC圖像，示出 TE. coli細胞(RP9535)進入并經(jīng)過底層通道(左畫面)到重疊區(qū)域(箭頭，中間畫面) 并到達閣樓(右畫面)，其最終被細胞填充(插圖)。比例尺(B、C)是5μπι。圖3示出了用以捕獲單個細菌的具有生物相容性的微制造。(Α、Β)是與C和D部 分類似的BSA微容器的SEM圖像。(C)是入口內(nèi)部被細菌塞住后的BSA容器的SEM。(D) 序列示出了制造用以捕獲細菌的塞子之前(1)和頃刻后(2)的BSA容器(箭頭；比例尺， 10ym)。細胞分裂最終填充陷阱而不損失細菌(3-6)。時間點是(3)172分鐘，(4)360分 鐘，(5) 590 分鐘，(6) 16 小時。比例尺是 A/D，IOym ；B/C, 2 μ m。圖4示出了使用移動掩模在蛋白質(zhì)微結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生厚度和化學功能化這二者的梯 度。由包含90% BSA和10%親和素(wt/wt ；總蛋白質(zhì)濃度是320mg mL"1)和亞甲基藍(3mM) 的溶液制造梯度微結(jié)構(gòu)。在激光掃描期間，平移完全不透明的直邊掩模，使得它在制造平面 內(nèi)的圖像以2μπι s—1的速率被掃掠。所得到的BSA/親和素微結(jié)構(gòu)在2 μ M熒光素生物素中 培育10分鐘，在磷酸鹽緩沖液PBS(ρΗ 7.0)中漂洗10次，并通過熒光成像。(A、B)DIC和 SEM顯微術(shù)揭示了在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上激光暴露時間的變化造成厚度梯度。(C)圖線(綠線) 代表自箭頭起在結(jié)構(gòu)上繪出的水平線的熒光強度。該強度除以結(jié)構(gòu)的厚度(插圖)以得到 功能梯度密度(即，對結(jié)構(gòu)厚度歸一化)。根據(jù)該數(shù)據(jù)，熒光強度梯度被示出為結(jié)構(gòu)厚度和 功能密度的卷積(即，親和素的生物素粘合能力)。畫面D是畫面C中的熒光圖像的3D表 面強度圖線，并且表明梯度在微結(jié)構(gòu)的表面上予以維持。圖5示出了可平移的掩模在微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生微梯度。㈧梯度傾斜的方向可取決于 與光束軸垂直的掩模平移方向(例如，從西向東，[左部結(jié)構(gòu)]；從南向北，[右部結(jié)構(gòu)]；從 東向西，[底部結(jié)構(gòu)])。這種方法可用于產(chǎn)生功能微梯度以及蛋白質(zhì)和光敏劑的梯度。(B) 制造期間對可變孔徑光圈的激勵(從閉合到打開)產(chǎn)生徑向微梯度。(C)微梯度邊界可以 用靜止負掩模來限定。這里線性(下部插圖)或非線性梯度(沿著虛線箭頭)分別使用以 線性速度和加速速度平移的掩模來制造。該圖線示出了通過平移比用于限定微結(jié)構(gòu)邊緣的 負透明物尺度更小的不透明掩模而產(chǎn)生的、沿著C中虛線箭頭的方向的梯度輪廓。所有微 結(jié)構(gòu)都由使用5mM亞甲基藍光敏化的400mg Hir1BSA制造而成。熒光強度來自于被捕獲的 光敏劑。比例尺，5 μ m。圖6示出了使用MDML的快速原型制作。㈧用于運動細菌的受引導(dǎo)運動的微室 的快速原型制作的方案。在制造該室的過程中，通過掃描掩模、將焦點位置步進到試劑溶液
5中的不同深度并重復(fù)掃描來依次產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的多個平面?？梢灾貜?fù)該過程以產(chǎn)生期望高度的 微結(jié)構(gòu)。(B)該方法允許快速累接和制造任意微室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)。微室 5 μ m高，且通過掃描 激光束而不放置光掩模來密封頂部。比例尺，15 μ m。圖7示出了 DMD (數(shù)字微鏡器件)引導(dǎo)的多光子光刻法的一個實施例的示意圖。虛 線(“光束平移”)表示光束軸的掃描位置的界限。L1-4表示透鏡的位置。圖8示出了用于制造由從人頭部MRI掃描得到的水平平面組成的圖像堆的多個豎 直平面的、DMD引導(dǎo)的MDML，這引導(dǎo)了丙烯酸酯微復(fù)制品的制造。號碼表示該掩模在用于引 導(dǎo)制造的掩?？傂蛄兄械奈恢?總數(shù)=150)。比例尺，5μπι。圖9示出了用于水平“縫制”結(jié)構(gòu)的DMD引導(dǎo)的MDLM的一個實施例，其允許快速 制造比可利用單個水平掃描平面實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)大的結(jié)構(gòu)。(a)使用程序Labview將圖像劃分 成包括一系列水平掃描平面的段。(1)示出了分段區(qū)域。(2)描繪了分段區(qū)域的擴張(現(xiàn) 在按制造順序標記)。(3)描繪了制造的結(jié)構(gòu)之間的重疊的量。(4)示出了由八個單獨的掩 ?？p合在一起的最終結(jié)構(gòu)。(b)由JPEG文件制成的八段縫制結(jié)構(gòu)。左起咖啡因模型、線 上的捕蠅鳥、Shear Lab標志。比例尺，10 μ m。圖10示出了使用DMD引導(dǎo)的MDML制造的生物組織的微重構(gòu)。具有豎直樣品平 面梯級的DMD圖像序列(由digimorph. org提供的高分辨X射線CT數(shù)據(jù))的同步使得能 夠快速制造(1-2秒/平面)由光交聯(lián)BSA構(gòu)成的動物(a-e)和針墊山龍眼(pincushion protea) (f，頂部)復(fù)制品。畫面f還示出了在制造(側(cè)視圖)和后制造(頂視圖)期間獲 得的蛋白質(zhì)山龍眼的預(yù)測圖像(左)和實際熒光圖像(右)。圖11示出了掩模切斷產(chǎn)生分部微結(jié)構(gòu)。以冠狀堆切斷DMD顯示的圖像產(chǎn)生由光 交聯(lián)BSA構(gòu)成的黑猩猩顱骨的矢狀縫分部(a，左；b，右)。從完整的圖像序列減去連續(xù)平面 得到水平分部微結(jié)構(gòu)(b;插圖示出了頂視圖)。比例尺，10 μ m。圖12示出了單個掩模序列可以產(chǎn)生復(fù)雜的3D對象。左使用150個連續(xù)平面制造 的蛋白質(zhì)微編織物的SEM，每個平面利用Iym的豎直步長間隔開。每個平面的掩模數(shù)據(jù)是 以互鎖的“圖7”圖案移動的三個環(huán)的動畫。右基于掩模圖像的預(yù)測3D重構(gòu)。使用400mg Hir1BSA和5mM亞甲基藍制造微結(jié)構(gòu)。所有比例尺，10 μ m。圖13示出了用于引導(dǎo)細胞運動和模塑3D細胞集群的微架構(gòu)的原型制作。a.具有 進入螺旋坡道(20°斜度，270°扭轉(zhuǎn))的單個入口的微室原型的3D重構(gòu)(基于掩模圖像)， 該坡道通向并進入封閉的中心容器的前上部(標記以微米為單位)。b.具有完整頂部(左 上畫面)和分部頂部(右上畫面和下畫面)的微室原型的SEM。c.通過入口并被引向螺旋 通道的單個流暢游動的大腸桿菌(由橢圓封閉)的DIC圖像序列。虛線表示通道的上沿； 序列的經(jīng)歷時間為1秒。d.在微室(來自畫面c)內(nèi)用T肉汁(T-broth)整夜培育大腸桿 菌導(dǎo)致模塑得到的細胞集群的生長與內(nèi)部架構(gòu)的形狀相符。插圖示出了每個畫面的焦點的 位置和細胞集群的示意圖。所有結(jié)構(gòu)都是使用120個掩模的序列(其中標本沿著掩模之間 的光軸以0. 3 μ m步進)由BSA溶液在 2分鐘內(nèi)制成的。標稱結(jié)構(gòu)高度(c和d)，32 μ m。 比例尺，10 μ m。圖14示出了使用MDML制造用于微激勵的BSA梯度桿。(a)在制造溶液內(nèi)的激 光掃描產(chǎn)生沿著結(jié)構(gòu)邊緣(如畫面1中)的材料梯度。該“邊緣效應(yīng)”是在光柵掃描期間 在圖案邊緣由于更長的激光停留時間而產(chǎn)生的。通過將不透明的光掩模放置在與制造平面(即，MDML)共軛的平面內(nèi)，結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域(畫面1中的“被掩蔽的區(qū)域”)將被消除，只 留下掃描邊緣(畫面1中的“未被掩蔽的區(qū)域”)。這樣，從具有沿著它們的寬度的材料梯 度的掃描邊緣區(qū)域產(chǎn)生桿，這是產(chǎn)生可限定的彎曲能力的過程。畫面2示出了通過只不掩 蔽左掃描邊緣(“L”)或右掃描邊緣(“R”)而產(chǎn)生的桿。由顯微鏡臺在與光柵掃描(以 500Hz進行)垂直的方向上以1 μ m/s的速度平移未被掩蔽的區(qū)域以產(chǎn)生表面束縛的桿(附 著點位于虛線附近；更多的細節(jié)請見方法部分)。畫面3示出了在用pH 2.2(HC1)漂洗處 理后的桿彎曲。比例尺，3μπι。(b)掃描電子顯微圖(SEM)展現(xiàn)了沿著桿的邊緣的厚度梯 度。早期研究表明對于被有差別地照射的蛋白質(zhì)微結(jié)構(gòu)而言，密度梯度可伴隨著厚度梯度 (參考20)。(c) SEM示出了束縛到具有梯度桿的表面的PMMA微球體。比例尺，3 μ m。本專利或申請文件包含至少一個彩色附圖。當提出請求并交付必要的費用時，專 利局將提供具有彩色附圖的本專利或?qū)＠暾埞嫉母北?。盡管易于對本公開作出各種修改和可替選形式，但仍在附圖中示出并且在下面更 詳細地描述了特定示例實施例。然而，應(yīng)當理解，對特定示例實施例的描述并非意在將本發(fā) 明限制于所公開的具體形式，相反，本公開將覆蓋部分地由所附權(quán)利要求闡明的所有修改 和等同設(shè)置。
具體實施例方式根據(jù)某些實施例，本公開總體而言涉及用于毫微及微結(jié)構(gòu)制造的系統(tǒng)和方法。在某些實施例中，本公開提供了一種用于三維制造的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能量源、 至少一個共軛掩模、放大器件以及制造材料，其中共軛掩模被布置在能量源和放大器件之 間，并且其中制造材料被布置成對放大器件適用。這里所使用的共軛掩模指的是被放置在 具有空間位置到制造平面的近似一一映射的焦平面內(nèi)的掩模。在操作中，能量從能量源發(fā) 出、通過放大器件到達制造材料(參見例如圖1)。共軛掩模至少部分地阻擋與其接觸的從 能量源發(fā)出的能量。這樣，掩模的不同性質(zhì)被轉(zhuǎn)移到制造材料，使得能夠制造具有多種特征 的結(jié)構(gòu)。能量源可以是能夠引起制造材料的改變的任何源。相應(yīng)地，所選擇的能量源將取 決于具體的應(yīng)用和制造材料。合適的能量源的一個例子是激光光源。這樣的激光器可以包 括但不限于飛秒鈦/藍寶石或者倍頻調(diào)QNchYAG激光器。如下面更詳細描述的那樣，能量 源被引導(dǎo)到共軛掩模，并且可以聚焦在共軛掩模上和/或被空間掃描于共軛掩模的位置。
在一些實施例中，能量源可以包括一個或多個激光束。這樣的配置允許在共軛掩 模的不同區(qū)域上同時掃描。這樣，可并行地制造微結(jié)構(gòu)/微器件的不同區(qū)域。這種方法可 例如用于減少產(chǎn)生給定空間圖案所需要的制造時間。在一些實施例中，該系統(tǒng)還可以包括射束掃描器件。射束掃描器件尤其允許將入 射能量掃描到共軛掩模的多個位置。此外，可以用各種方式(包括以矩形光柵方式、以圓形 方式、隨機地等)掃描來自能量源的能量。合適的射束掃描器件在本領(lǐng)域中是已知的，包括 但不限于檢流計驅(qū)動的鏡和聲光偏轉(zhuǎn)器。共軛掩模被布置在能量源和放大器件之間。該掩模應(yīng)當至少部分地阻擋能量從能 量源向放大器件和/或制造材料的傳輸。共軛掩?？梢允庆o態(tài)掩模(例如，物理對象和光 掩模)或動態(tài)掩模(例如，能夠?qū)碜阅芰吭吹哪芰吭诳臻g上圖案化以呈現(xiàn)可由放大器件轉(zhuǎn)移到制造材料的形狀的器件)。靜態(tài)掩模比如光掩模和物理對象可以被認為是靜態(tài)的，因為它們相對于它們呈現(xiàn) 的圖案是固定的。然而，如下面所討論的那樣，靜態(tài)掩?？梢栽谥圃炱陂g相對于制造材料移 動，從而例如允許材料的梯度的制造(參見圖2、圖5、圖6)。相比之下，動態(tài)掩模相對于它 們呈現(xiàn)的圖案不是固定的。動態(tài)掩模通常尤其被電子地控制，以允許例如通過計算機的圖 形輸出快速產(chǎn)生、處理和修改數(shù)字式限定的掩模(即，數(shù)字掩模)。在某些實施例中，共軛掩?？梢允枪庋谀?例如，具有允許光以限定的圖案透過 的孔或透明物的不透明板)。合適的光掩模也可以具有既不完全不透明也不完全透明的部 分，而是允許一小部分入射光穿過。部分透明的掩模可例如在產(chǎn)生梯度時是有用的。合適 的光掩模也可以全部或部分是透射式或反射式的。在某些實施例中，共軛掩?？梢允俏锢韺ο螅湫螤畋晦D(zhuǎn)移到制造材料。三維物理 對象可能沿著光軸顯著延伸，盡管主要部分可能被定位成與制造平面之間有近似一一空間 映射。如上所述，共軛掩模可以是動態(tài)掩模。合適的動態(tài)掩模的例子包括但不限于使用 反射式和/或透射式元件的電子尋址及光學尋址的空間光調(diào)制器。反射式元件的例子包括 但不限于微鏡器件、液晶顯示器、衍射式光柵、衍射式光學元件和反射式光閥。透射式元件 的例子包括但不限于液晶顯示器和透射光閥。因為動態(tài)掩模可以被電子地控制，所以它們可以允許通過計算機的圖形輸出快速 產(chǎn)生、處理和修改數(shù)字式限定的掩模。相應(yīng)地，在一些實施例中，本公開的具有數(shù)字對象共 軛掩模的系統(tǒng)還可以包括計算機。在操作中，動態(tài)掩?？梢栽试S通過將限定較大結(jié)構(gòu)各部 分的數(shù)字掩模的依次顯示與制造襯底相對于每個對應(yīng)部分的制造區(qū)域的豎直定位協(xié)同配 合來快速制造大范圍的三維微結(jié)構(gòu)。此外，通過將變化的數(shù)字掩模的依次顯示與制造材料 的水平平移協(xié)同配合，可以在具有與數(shù)字掩模對應(yīng)的特征的襯底上并排制造各部分。這樣， 可以由掩模陣列快速制造任意2D和3D復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)。并且可以通過將制造暴露(例如沿 著2D、3D坐標)平移到制造材料來制造尺度超過制造暴露尺度的結(jié)構(gòu)(參考圖9)。引導(dǎo)制造的信息可以作為例如使用3D成像技術(shù)獲取的3D數(shù)據(jù)駐留在計算機中。 這樣的技術(shù)包括但不限于X射線CT掃描、磁共振成像、正電子發(fā)射斷層造影術(shù)、其它斷層造 影術(shù)、共焦成像、雙光子和多光子成像、基于干涉的成像技術(shù)以及基于聲波和超聲波成像的 技術(shù)。這樣的信息可以例如容易地存儲為分立2D圖像的堆，其可以在制造期間被用作連續(xù) 的掩模?；蛘?，可以使用其它方法產(chǎn)生3D信息，比如使用3D計算機輔助設(shè)計、基于幾何參 數(shù)的其它3D映射方法(參見圖13)以及從一個掩模到下一個掩模依次遞增地重定向幾何 形狀(參見圖12)。3D信息可以存儲在遠離制造地點的計算機上，從而允許在制造過程期 間或之前從存儲器傳遞制造指令。放大器件可以是能夠?qū)⒅辽僖粋€形狀從共軛掩模轉(zhuǎn)移到制造材料的任何器件。放 大器件典型地具有大于1的放大倍數(shù)，盡管本公開也考慮到了其他放大倍數(shù)。在本公開中 使用的大于1的放大倍數(shù)指的是在將能量從共軛掩模轉(zhuǎn)移到制造材料內(nèi)的共軛平面時縮 小焦點的尺寸的放大系統(tǒng)。在一些實施例中，放大器件可以縮小形狀的尺寸。該縮小例如 將會發(fā)生在使用常用放大光學器件將光聚焦到制造材料中時，這完全不同于從標本收集光 的常例(其在產(chǎn)生形狀的圖像時將會導(dǎo)致形狀的尺寸的增大)。例如，放大器件可以是透鏡(例如，鏡筒透鏡)和/或其它光學器件(例如，顯微物透鏡，比如高數(shù)值孔徑經(jīng)無窮遠 校正的顯微鏡物鏡)。制造材料可以是能夠形成變更后的材料的空間圖案化布置的任何光敏材料。這樣 的材料能夠直接根據(jù)曝光或者通過隨后的顯影過程來實現(xiàn)光誘導(dǎo)的相位變化。所選擇的制 造材料至少部分地取決于具體應(yīng)用。合適的制造材料的例子包括但不限于生物材料、光固 化樹脂、彈性體、無機-有機雜化聚合物、正性光刻膠、負性光刻膠、金屬以及電活性催化材 料。制造材料可以是多于一種材料的組合物。生物材料可以被用作制造材料或者可以與制造材料合并。這樣的生物材料包括但 不限于氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、酶、核酸(例如RNA、DNA、適體(aptamer)等)、糖(例如單糖和 多糖、碳水化合物、糖基團、透明質(zhì)酸等)和磷脂。合成物還可包括細胞成分(例如來自細 胞消化的成分)、整個生物細胞(例如細菌、真核生物)和細胞群(例如組織)。例如，制造 材料可以包括多個蛋白質(zhì)分子，或者可以包括布置在制造材料內(nèi)的一個或多個細胞。這樣 的制造材料可以用于在存在細胞的情況下進行光刻。制造材料還可以包括光固化樹脂(例如聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、戊二酰亞 胺、環(huán)氧樹脂等)、彈性體(例如PDMS)、無機-有機雜化聚合物(0R0M0CER)、正性光刻膠和 負性光刻膠(例如SU-8)。制造材料還可包含金屬電活性催化成分(例如Au、Ag、Pt及其 毫微粒)。在一些實施例中，該系統(tǒng)可以包括允許在制造期間移動共軛掩模的掩模平移器 件。可以將掩模平移器件與靜止透射式掩模(例如，如圖5中的透明光掩模)或反射式掩 模(例如，微鏡器件)相結(jié)合使用。在這樣的系統(tǒng)中，可以在制造期間平移和/或轉(zhuǎn)動2D 和3D掩模對象，從而改變制造材料的能量暴露區(qū)域。此外，可例如將制造材料平移器件與 掩模對象平移相結(jié)合使用來平移(沿著X、1、ζ坐標平移)制造平面，以允許使用單個掩模 或?qū)ο笾圃於鄠€形狀，以及在三維對象的制造過程中允許限定的材料梯度。在一些實施例中，本公開提供了用于制造至多三維和包含三維的微器件的方法， 該方法包括提供能量源、放置在具有空間位置到制造平面的近似一一映射的平面內(nèi)的至 少一個掩模、放大器件以及制造材料，其中掩模被布置在能量源和放大器件之間，并且其中 制造材料被布置成適用于所述放大；以及使制造材料暴露于從能量源發(fā)出的能量。DMD快速切換正確對準的多個掩模的能力可導(dǎo)致用于提高制造的結(jié)構(gòu)的空間分辨 率的過程。DMD可被用于顯示一系列掩模，其中個別掩模不對應(yīng)于在給定平面制造的微結(jié) 構(gòu)，但是掩模序列將會產(chǎn)生所設(shè)計的結(jié)構(gòu)。例如，被設(shè)計成產(chǎn)生接近該系統(tǒng)的分辨率極限的 結(jié)構(gòu)的掩模特征可能由于限定最小特征尺寸的化學和光學局限而產(chǎn)生僅以部分保真度再 現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。然而，通過代替單個掩模而使用強調(diào)所設(shè)計對象的不同部分的一系列掩模，可以 準確地再現(xiàn)所設(shè)計的微結(jié)構(gòu)。如上所述，制造材料可以包括布置在制造材料內(nèi)的一個或多個細胞。因此，在某些 實施例中，本公開提供了用于培養(yǎng)一個或多個細胞的方法，該方法包括提供能量源、共軛 掩模、放大器件以及制造材料和一個或多個細胞，其中共軛掩模被布置在能量源和放大器 件之間，并且其中制造材料被布置成適用于所述放大；使制造材料暴露于從能量源發(fā)出的 能量；以及在微器件內(nèi)培養(yǎng)該一個或多個細胞。在一些實施例中，執(zhí)行該用于培養(yǎng)一個或多 個細胞的方法，使得該一個或多個細胞在微器件形成之后進入微器件。在其它實施例中，執(zhí)
9行該用于培養(yǎng)一個或多個細胞的方法，使得微器件在形成時封閉該一個或多個細胞。在一些實施例中，本發(fā)明的方法可以利用以一系列平面圖像編碼的三維數(shù)據(jù)，所 述平面圖像可顯示在共軛掩模(比如電子器件)上?？梢允褂萌S成像技術(shù)(比如共焦顯 微術(shù)、X射線計算斷層造影術(shù)或磁共振成像)、根據(jù)生物標本(比如細胞或組織)的成像來 產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)。制造體素(voxel)的位置可以移動，以與圖像/掩模的序列適當?shù)貙?yīng)，使 得成像的生物標本的構(gòu)形被復(fù)制在制造的材料中。在一些實施例中，使用展現(xiàn)設(shè)計形狀(比如一組編織繩)的三維構(gòu)形的算法來產(chǎn) 生例如呈現(xiàn)給電子器件的共軛掩模序列。制造體素的位置可以移動，以與圖像/掩模的序 列適當?shù)貙?yīng)，使得計算出的形狀的構(gòu)形產(chǎn)生在制造的材料中。根據(jù)某些實施例，本公開還提供了使用上述方法和/或系統(tǒng)形成的合成物。這樣 的器件包括但不限于光學器件和器件組件，比如實現(xiàn)傳輸、發(fā)射、調(diào)制和檢測電磁輻射的 光學器件和器件組件(例如，偏振器、棱鏡、濾光器、光子和諧波產(chǎn)生晶體、衍射式光學元 件、相位掩模、光放大和光子檢測器件)以及操縱光的幾何性質(zhì)的光學器件和器件組件(例 如，鏡、透鏡、光掩模)；機械器件和器件組件，包括有源元件(電源、電感器、致動器)和器 件組件架構(gòu)(例如，三維微機電器件)；流體器件，包括用于輸送流體的元件(泵、閥、混合 器)以及流體和器件架構(gòu)(例如，流體通道的接頭比如T形接頭、充滿流體的通道和空通道 的用以形成閥或泵的接頭、3D微流體器件)；電器件，包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電阻元件(例如， 金屬線和高介電/電阻材料；電容器、二極管、晶體管、電阻器等)；用于發(fā)育和操縱細胞、組 織以及細胞/組織類似物的化學和生物器件(例如，細胞培育器和臺架、細胞和組織復(fù)制品 等)，具有促進、阻止與附加(第二)粘合元件的互作用和/或?qū)υ摶プ饔脹]有實質(zhì)影響的 化學和構(gòu)形提示的器件和襯底，包括但不限于化學元素(即，特定元素標識、同位素、氧化 還原態(tài)等的元素)、分子、聚合物(例如，多糖、多肽)、生物細胞(例如，細菌、真核細胞)、 組織或細胞集合、或者襯底。此外，與第二元件的互作用可以提供這兩個元件之間的協(xié)同功 能(例如，化學、機械、電或電磁行為的調(diào)制)，其可以實現(xiàn)第二元件(例如，化學或生物傳感 器)的檢測/測量并且還可以允許附加元件(即，第三元件、第四元件等，比如核苷酸、肽、 蛋白質(zhì)陣列)的粘合。以上實施例還可以用由以上元件中的一個或多個組成的陣列(例如， 光學、機械、流體、電學、化學/生物臺架或傳感器的陣列、片上實驗室或它們的組合)來實 現(xiàn)。因此，本發(fā)明很適合于獲得所提到的以及其中固有的目的和優(yōu)點。盡管本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以作出許多改變，但是這樣的改變包含在部分地由所附權(quán)利要求闡明的本發(fā)明 的精神之內(nèi)。例子材料亞甲基藍(M-4159)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD，F(xiàn)-6625)由 Sigma-Aldrich(密蘇里州圣路易斯)提供。牛血清白蛋白(BSA，BAH64-0100)由 Equitech-Bio (德克薩斯州Kerrville)提供。親和素(A-887)和熒光素生物素(B-1370) 由Molecular Probes (俄勒R州尤金)提供。所有化學品和溶劑按照提供者的說明書保 存，并且不進一步提純地加以使用。用于激光打印機的辦公室級透明膜被用于在惠普Laser Jet2100TN上產(chǎn)生光掩模。菌株大腸桿菌RP437 (野生型，wt)和RP9535 (流暢游動，Δ cheA)由JohnS. Parkinson(猶他大學生物系)友情提供，在胰化胨肉汁(32°C )中需氧培育，并且在中對 數(shù)期收獲。細胞在PBS (IOmM磷酸鉀，pH 7.0)中稀釋20-100倍，用于制造的微室的實驗?；|(zhì)制造使用工作于730至740nm的鎖模鈦藍寶石激光器(Tsunami ；光譜物 理，加利福尼亞州Mountain View)的輸出在未處理的#1顯微鏡蓋玻片上制造由光交聯(lián)的 蛋白質(zhì)構(gòu)成的基質(zhì)。將激光束使用共焦掃描器(BioRad MRC600)光柵掃描成矩形圖案并在 掃描箱和顯微鏡之間聚焦。將掩模放置在焦平面(在本文中稱為“掩模平面”)內(nèi)允許制造 的對象中的最大保真度，因為掩模平面與顯微鏡標本平面共軛，盡管掩模也可以在被置于 掃描箱和顯微鏡之間(18cm)的任何位置時以較小的邊緣分辨率加以使用。例如，圖IB中 的德克薩斯形微梯度是同時使用兩個掩模制造的用于定義梯度邊緣的負光掩模被放置在 掩模平面內(nèi)，而第二個直邊完全不透明的掩模在制造期間被平移到掩模平面之外約7. 5cm。 通過在測試光制造過程期間調(diào)節(jié)掩模的XY位置來人工對準掩模。通常使用3Hz的矩形掃 描頻率(完成光柵掃描的矩形的時間的倒數(shù))以100至200ym/s的線性速度平移移動的 掩模。激光輸出被調(diào)節(jié)為近似充滿位于Zeiss Axiovert倒置顯微鏡系統(tǒng)上的油浸物鏡 (Zeiss IOOx Fluar，1. 3數(shù)值孔徑)的后孔徑。通過使用半波片/偏振分束鏡對衰減激光 束來獲得期望的功率(在顯微鏡物鏡的后孔徑之前是30-40mW)。為了沿著ζ維度(即，沿 著光軸)延伸結(jié)構(gòu)，利用顯微鏡精細調(diào)焦在制造溶液內(nèi)人工平移激光焦點的位置。通過在 達到期望的結(jié)構(gòu)高度后去除掩模，可以容易地用閉合矩形屋頂從頂部密封微室。通過允許 每豎直行進1微米在樣品上進行兩次全光柵掃描來產(chǎn)生典型的2-10 μ m高的微室。該過程 允許以10-30秒的時標制造完全成形的3D對象。由包含作為光敏劑的2-3mM亞甲基藍和320-400mg/mL蛋白質(zhì)的溶液制造由光交 聯(lián)BSA構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)。對于具有生物相容性的制造(例如，圖2)，使用黃素腺嘌呤二核苷酸 (5mM)作為光敏劑。在這些研究中對于微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)的實際(橫向)分辨率( 0.5 μ m) 低于我們在一些前述實例中對于蛋白質(zhì)光交聯(lián)所實現(xiàn)的實際分辨率，這歸因于掩模質(zhì)量、 結(jié)構(gòu)的制造速度以及在SEM圖像情況下的成像準備過程。對于高數(shù)值孔徑多光子激發(fā)而言 典型的是，體素在豎直維度上有些伸長。當需要制造微結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過先前光交聯(lián)的蛋白質(zhì)溶 液的相當大厚度的豎直聚焦被進一步減小。在圖4和支持圖中所示的微結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)厚度 的不均勻性很可能是掃描過程中的偽影的結(jié)果，因為它們在未使用掩模的一些情況下也被 觀察到。利用數(shù)字微鏡器件進行的基質(zhì)制造調(diào)諧到730-740nm的鎖模鈦藍寶石激光器 (光譜物理，Tsunami)的輸出被對準到共焦掃描箱(Biorad，MRC600)中，其中檢流計驅(qū)動 的鏡以光柵圖案掃描光束。數(shù)字微鏡器件(DMD)被放置于與高數(shù)值孔徑物鏡的前焦平面共 軛的中間像平面。在這些實驗中使用的DMD(德州儀器，0.55SVGA)是部分拆卸的商業(yè)投影 儀(明基，MP510)的一個組件。DMD的反射面是由16 μ mX 16 μ m鋁鏡構(gòu)成的848X848陣 列。每個鏡可以在對應(yīng)于士 10°傾角的“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間切換。各個鏡由被編程為 顯示(通過在開和關(guān)狀態(tài)之間調(diào)制來顯示)計算機的圖形輸出的完整投影儀電子設(shè)備來控 制。焦距為15. 2cm的透鏡將激光聚焦到DMD上，這在芯片表面上產(chǎn)生 30 μ m的估計光束 直徑。束斑掃描在DMD鏡的約四分之一內(nèi)。當復(fù)制白色顯示時DMD反射率為 40%。沿著 光路反射的光被焦距為15. 2cm的鏡筒透鏡準直并被發(fā)送到倒置顯微鏡(Zeiss Axiovert)
11中。使用 Zeiss Fluar，100x/1.3NA 油浸物鏡。結(jié)構(gòu)的數(shù)字信息利用DMD進行微制造的系統(tǒng)可用于根據(jù)需要最少處理的輸入數(shù) 據(jù)、以不需要特定編程的過程快速構(gòu)建復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)。每個制造的平面的信息可包含在 數(shù)字圖像中，所述數(shù)字圖像可來自于包括但不限于以下圖像的源從X射線計算斷層造影 數(shù)據(jù)得到的圖像、由利用計算機輔助設(shè)計軟件創(chuàng)建并隨后被分成各個平面的三維模型限定 的圖像、利用可依次地逐步改變以限定三維微結(jié)構(gòu)的切片數(shù)據(jù)的圖形軟件顯示的在數(shù)學上 定義的幾何圖像、或者從通過多光子或共焦顯微術(shù)獲取的光學切片數(shù)據(jù)得到的圖像。BSA微室中的細胞培育在制造蛋白質(zhì)塞以在微室中捕獲單個細菌(圖2D的畫面 2;室尺寸，10Χ10Χ4μπι)之后，在ImL的碟中的胰化胨肉汁中在環(huán)境溫度(22°C )下培育 細胞。以約6小時的間隔更換介質(zhì)并且在3天的時段內(nèi)監(jiān)視該微室。熒光顯微術(shù)在裝配有汞弧燈和標準“紅”和“綠”濾光器組(Chroma，弗吉尼亞州 Rockingham)的Axiovert顯微鏡上進行寬場熒光成像。使用Fluar IOOX物鏡收集熒光發(fā) 射并使用12位1392 X 1040像素CCD (Cool Snap HQ ；Photometries，亞利桑那州圖森)檢 測該熒光發(fā)射。使用Image J和Metamorph (Universal Imaging，加利福尼亞州桑尼維爾) 圖像分析軟件處理數(shù)據(jù)。掃描電子顯微術(shù)(SEM)準備樣品在3. 5%的戊二醛溶液中固定20分鐘并通過使 用10分鐘的連續(xù)洗滌(2 1乙醇/水；在100%乙醇中兩次；1 1乙醇/甲醇；100%甲 醇；所有溶液都以體積比表示)來脫水，被允許風干3小時，并用Au/Pd濺涂到12-15nm的
標稱厚度。因此，本發(fā)明很適合于獲得所提到的以及其中固有的目的和優(yōu)點。盡管本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以作出許多改變，但是這樣的改變都包含在部分地由所附權(quán)利要求闡明的本發(fā) 明的精神之內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種系統(tǒng)，包括能量源、至少一個共軛掩模、放大器件以及制造材料，其中所述至少一個共軛掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之間，并且其中所述制造材料被布置成對所述放大器件適用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述能量源是激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模是靜態(tài)掩模。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模是動態(tài)掩模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模是反射式的或透射式的或部分 反射部分透射式的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模包括較大透射的區(qū)域和較小透 射的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模是數(shù)字微鏡器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個共軛掩模是液晶顯示器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括計算機。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述放大器件包括透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述放大器件包括顯微鏡物鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述制造材料的至少一部分選自于生物材料、光固化 樹脂、彈性體、無機-有機雜化聚合物、正性光刻膠、負性光刻膠、金屬以及電活性催化材料 中的一種或多種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括射束掃描器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括掩模平移器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括制造材料平移器件。
16.一種方法，包括提供能量源、至少一個共軛掩模、放大器件以及制造材料，其中所 述至少一個共軛掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之間，并且其中所述制造材料被 布置成適用于所述放大；以及使所述制造材料暴露于從所述能量源發(fā)出的能量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述能量源是激光器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模是靜態(tài)掩模。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模是動態(tài)掩模。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模是反射式的或透射式的或部 分反射部分透射式的。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模包括較大透射的區(qū)域和較小 透射的區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模是數(shù)字微鏡器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個共軛掩模是液晶顯示器。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述放大器件包括透鏡。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述放大器件包括顯微鏡物鏡。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述制造材料的至少一部分選自于生物材料、光固 化樹脂、彈性體、無機_有機雜化聚合物、正性光刻膠、負性光刻膠、金屬以及電活性催化材 料中的一種或多種。
27.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述制造材料包括一個或多個細胞。2
28.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中來自所述能量源的能量被掃描。
29.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在制造期間所述至少一個共軛掩模能平移或轉(zhuǎn)動或 既平移又轉(zhuǎn)動。
30.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在制造期間制造平面能平移或轉(zhuǎn)動或既平移又轉(zhuǎn)動。
31.一種方法，包括提供能量源、至少一個共軛掩模、放大器件以及包括一個或多個 細胞的制造材料，其中所述共軛掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之間，并且其中 所述制造材料被布置成適用于所述放大；使所述制造材料暴露于從所述能量源發(fā)出的能量 以形成圖案化的制造材料；以及在所述圖案化的制造材料內(nèi)培養(yǎng)所述一個或多個細胞。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述制造材料的至少一部分選自于生物材料、光固 化樹脂、彈性體、無機_有機雜化聚合物、正性光刻膠、負性光刻膠、金屬以及電活性催化材 料中的一種或多種。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中來自所述能量源的能量被掃描。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中在制造期間所述至少一個共軛掩模能平移或轉(zhuǎn)動或 既平移又轉(zhuǎn)動。
35.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中在制造期間制造平面能平移或轉(zhuǎn)動或既平移又轉(zhuǎn)動。
36.根據(jù)權(quán)利要求16-35的方法中的一種或多種形成的合成物。
37.根據(jù)權(quán)利要求16-35的方法中的一種或多種形成的合成物，用以形成光學器件、機 械器件、電器件、化學/生物器件、具有正、負和中性提示的器件、生物傳感器以及陣列中的 一種或多種。
全文摘要
根據(jù)某些實施例，系統(tǒng)包括能量源、至少一個共軛掩模、放大器件以及制造材料，其中所述至少一個共軛掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之間，并且其中所述制造材料被布置成對所述放大器件適用。根據(jù)其它實施例，提供了采用所述系統(tǒng)的方法和合成物。
文檔編號H01L21/44GK101960577SQ200980106329
公開日2011年1月26日 申請日期2009年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日
發(fā)明者布賴恩·卡爾, 賈森·B·希爾, 雷克斯·尼爾森 申請人:得克薩斯州大學系統(tǒng)董事會