3D打印方兴未艾，甚至在国际空间站也被应用于制造和维修部件。人们不禁要问，4D打印何时会到来？

日前，中国科学院上海微系统所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚合作，创新开发了基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，加工精度可达14纳米，较之前技术提升了1个数量级。他们还探索把蜘蛛丝蛋白用作“可载药、可运动、可降解”的4D纳米功能器件。相关研究成果发表在《自然通讯》。

【天然蜘蛛丝强度比同尺寸钢丝强一倍以上】

“这是近几年我最得意的一个工作。”陶虎告诉解放日报·上观新闻记者。这些年，他一直在与蚕丝、蜘蛛丝打交道。国外把蚕丝蛋白用于生物医学中的组织修复，他“突发奇想”将其和传感器相结合。“太不可思议了！蚕丝和蜘蛛丝蛋白天然抗菌，力度好，可降解，是非常好的传感器基底。”

现在一般用光学方式来做3D打印，但受光学衍射的影响，其精度只能局限在百纳米量级。由于电子束的等效波长比光的波长要小很多，因此曝光的精度更高，是二维平面微纳加工获得最小尺寸的标准工具。如何把电子束光刻的能力拓展到三维微纳加工，是研究者长久以来努力的方向。

传统电子束光刻使用高电压和纳米尺度的薄光刻胶，来获得二维平面图案，陶虎团队反其道而行，从低电压和微米尺度的厚光刻胶入手，从而可以在三维空间控制曝光的区域。

“天然蜘蛛丝的机械强度比同尺寸的钢丝强一倍以上，这为复杂三维纳米结构提供了关键支持。”陶虎介绍，以往，纳米尺度的3D结构因为材料强度不够容易坍塌，他们别具一格地使用了蜘蛛丝蛋白作为光刻胶材料。由于天然蜘蛛丝蛋白产量小，制备比较困难，他们就从天然蜘蛛丝中提取一段基因序列，把它转入大肠杆菌，用细菌发酵法生产蛋白，这样不仅可以实现蜘蛛丝蛋白的批量化制造，而且在纳米尺度实现了蛋白分子的可重复和可定义，成为此次研究的一个亮点。

研究人员进一步结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，从而实现了14纳米的三维加工精度，接近天然蜘蛛丝蛋白单分子尺寸，较之前的技术提升了1个数量级。

目前，陶虎团队已基本建立丝蛋白的全套二维和三维微纳加工体系，涵盖纳米、微米到毫米以及晶圆级尺度，实现了丝蛋白从传统纺织材料到集成电路和传感器材料的华丽转身。

【为4D纳米功能器件打下了基础】

与此同时，蜘蛛丝蛋白良好的生物相容性和可控降解性，也为实现时空可变形的4D纳米功能器件打下了基础。

“这算是一种4D打印的雏形吧。”陶虎告诉解放日报·上观新闻记者。由于蜘蛛丝蛋白是生物材料，可以从基因层面去定义它的功能，比如说可以让它对光、温度和酸碱度进行响应，打印成型后，再用光、温度和酸碱去刺激，它就会动起来。这就是纳米机器人，而且它的运动精度非常高。

此外，蜘蛛丝蛋白本身可以包裹药物，这样它可以在血管里装载运输，到达指定地点后，再进行药物的可控释放。由于蜘蛛丝蛋白可以在人体内进行生物降解，大大提高了安全性，也节省了将其从人体取出的成本。

可以预见的是，未来，这一技术将在智能仿生感知、药物递送纳米机器人、类器官芯片等研究领域具有应用前景。