CN101960577A - 微器件制造 - Google Patents

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布赖恩·卡尔
雷克斯·尼尔森
贾森·B·希尔
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Abstract

根据某些实施例，系统包括能量源、至少一个共轭掩模、放大器件以及制造材料，其中所述至少一个共轭掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之间，并且其中所述制造材料被布置成对所述放大器件适用。根据其它实施例，提供了采用所述系统的方法和合成物。

Description

微器件制造
对相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2008年1月2日的第61/018,599号美国临时专利申请的优先权，通过引用将该申请的全部内容合并于此。
政府利益声明
本发明是在美国国家科学基金会提供的政府资助(批准号0317032)下作出的。美国政府对本发明享有某些权利。
背景技术
目前，对制造和评估小型器件的方法存在相当大的兴趣，这些小型器件用在包括细胞图案化、神经元回路工程、干细胞研究、细胞生物传感器、细胞动力机以及微流体和微机械器件的应用中。作为该需求的结果，开发了多种技术来制造这样的器件。
包含对X射线或深紫外线的使用的方法如光刻法是用于产生二维微结构的公知方法。还开发了以利用自组装单层对表面化学性质的修改以及微接触打印为基础的微尺度制造方法。然而，这些方法在产生特别感兴趣的任意三维结构的能力方面都非常有限。另外，通过这些方法产生的结构常常具有有限的生物相容性。
已开发了几种方法来满足这种对三维结构的兴趣，包括仿生基质构形法(biomimetic matrix topography)和双光子或多光子光刻法。仿生基质构形法通过从生物表面去除上皮层或内皮层以暴露支撑基底膜或基质、然后使用基底膜或基质作为用于聚合物浇铸的模子来产生三维结构。然后，使用浇铸的聚合物作为生物材料浇铸的负模。然而，该技术需要使用生物表面，这限制了可由该方法产生的结构的构形。
多光子光刻法是使激光束在通常涂覆有包含独特染料的聚合物树脂的衬底上扫描以产生期望的硬化聚合物结构的技术。该激光写过程利用了交联化学反应只在分子已吸收多个光子的光的情况下发生这一事实。由于多光子-光子吸收速率随着距激光焦点的距离的增大而迅速降低，所以只有非常靠近焦点的分子才接收到足以吸收两个光子的光。因此，这样的方法允许对所产生的结构的构形进行相当大程度的控制。然而，这样的方法目前需要昂贵的且高度专业化的过程以及从经济上看相当大量的时间和材料来产生这样的器件的原型。
发明内容
为了以经济且省时的方式制造和评估复杂的三维微机构，必须提供允许不使用高度专业化设备而制造这样的器件的方法。此外，为了使这样的微器件广泛适用于生物科学和其它相关领域，这样的方法必须允许使用多种多样的材料。根据某些实施例，本公开涉及一种这样的掩模引导的光刻系统和方法：其提供使用适合于快速原型制作和累接的简易过程来产生复杂的三维毫微及微结构的手段。根据某些实施例，本公开还提供使用这样的方法和系统形成的合成物。
在阅读了下面对各实施例的描述后，本领域的技术人员容易明白本发明的特征和优点。
附图说明
通过部分地参考以下描述和附图，可以理解本公开的一些具体的示例实施例。
图1示出了将掩模对象(左画面中的家蝇；比例尺，2mm)放置在与显微镜物镜的前焦平面共轭的平面内，这引导了使用多光子光刻法制造使用牛血清白蛋白(BSA)和亚甲基蓝作为光敏剂的对象负片(微分干涉相衬(DIC)图像的蒙太奇，中间画面；比例尺，20μm)。该图像中划分为1和2的区域用扫描电子显微图(SEM)(右画面；比例尺，1μm)详细示出。
图2示出了依次使用两个单独的掩模制造的两层BSA微结构(A)。重叠区域将细菌从底层分流到二层阁楼。(B)是所得到的两层BSA微结构的SEM。(C)是DIC图像，示出了E.coli细胞(RP9535)进入并经过底层通道(左画面)到重叠区域(箭头，中间画面)并到达阁楼(右画面)，其最终被细胞填充(插图)。比例尺(B、C)是5μm。
图3示出了用以捕获单个细菌的具有生物相容性的微制造。(A、B)是与C和D部分类似的BSA微容器的SEM图像。(C)是入口内部被细菌塞住后的BSA容器的SEM。(D)序列示出了制造用以捕获细菌的塞子之前(1)和顷刻后(2)的BSA容器(箭头；比例尺，10μm)。细胞分裂最终填充陷阱而不损失细菌(3-6)。时间点是(3)172分钟，(4)360分钟，(5)590分钟，(6)16小时。比例尺是A/D，10μm；B/C，2μm。
图4示出了使用移动掩模在蛋白质微结构上产生厚度和化学功能化这二者的梯度。由包含90％BSA和10％亲和素(wt/wt；总蛋白质浓度是320mg mL-1)和亚甲基蓝(3mM)的溶液制造梯度微结构。在激光扫描期间，平移完全不透明的直边掩模，使得它在制造平面内的图像以2μm s-1的速率被扫掠。所得到的BSA/亲和素微结构在2μM荧光素生物素中培育10分钟，在磷酸盐缓冲液PBS(pH 7.0)中漂洗10次，并通过荧光成像。(A、B)DIC和SEM显微术揭示了在蛋白质结构上激光暴露时间的变化造成厚度梯度。(C)图线(绿线)代表自箭头起在结构上绘出的水平线的荧光强度。该强度除以结构的厚度(插图)以得到功能梯度密度(即，对结构厚度归一化)。根据该数据，荧光强度梯度被示出为结构厚度和功能密度的卷积(即，亲和素的生物素粘合能力)。画面D是画面C中的荧光图像的3D表面强度图线，并且表明梯度在微结构的表面上予以维持。
图5示出了可平移的掩模在微结构中产生微梯度。(A)：梯度倾斜的方向可取决于与光束轴垂直的掩模平移方向(例如，从西向东，[左部结构]；从南向北，[右部结构]；从东向西，[底部结构])。这种方法可用于产生功能微梯度以及蛋白质和光敏剂的梯度。(B)：制造期间对可变孔径光圈的激励(从闭合到打开)产生径向微梯度。(C)：微梯度边界可以用静止负掩模来限定。这里线性(下部插图)或非线性梯度(沿着虚线箭头)分别使用以线性速度和加速速度平移的掩模来制造。该图线示出了通过平移比用于限定微结构边缘的负透明物尺度更小的不透明掩模而产生的、沿着C中虚线箭头的方向的梯度轮廓。所有微结构都由使用5mM亚甲基蓝光敏化的400mg ml-1BSA制造而成。荧光强度来自于被捕获的光敏剂。比例尺，5μm。
图6示出了使用MDML的快速原型制作。(A)：用于运动细菌的受引导运动的微室的快速原型制作的方案。在制造该室的过程中，通过扫描掩模、将焦点位置步进到试剂溶液中的不同深度并重复扫描来依次产生结构的多个平面。可以重复该过程以产生期望高度的微结构。(B)：该方法允许快速累接和制造任意微室几何结构。微室～5μm高，且通过扫描激光束而不放置光掩模来密封顶部。比例尺，15μm。
图7示出了DMD(数字微镜器件)引导的多光子光刻法的一个实施例的示意图。虚线(“光束平移”)表示光束轴的扫描位置的界限。L1-4表示透镜的位置。
图8示出了用于制造由从人头部MRI扫描得到的水平平面组成的图像堆的多个竖直平面的、DMD引导的MDML，这引导了丙烯酸酯微复制品的制造。号码表示该掩模在用于引导制造的掩模总序列中的位置(总数＝150)。比例尺，5μm。
图9示出了用于水平“缝制”结构的DMD引导的MDLM的一个实施例，其允许快速制造比可利用单个水平扫描平面实现的结构大的结构。(a)：使用程序Labview将图像划分成包括一系列水平扫描平面的段。(1)示出了分段区域。(2)描绘了分段区域的扩张(现在按制造顺序标记)。(3)描绘了制造的结构之间的重叠的量。(4)示出了由八个单独的掩模缝合在一起的最终结构。(b)：由JPEG文件制成的八段缝制结构。左起：咖啡因模型、线上的捕蝇鸟、Shear Lab标志。比例尺，10μm。
图10示出了使用DMD引导的MDML制造的生物组织的微重构。具有竖直样品平面梯级的DMD图像序列(由digimorph.org提供的高分辨X射线CT数据)的同步使得能够快速制造(1-2秒/平面)由光交联BSA构成的动物(a-e)和针垫山龙眼(pincushion protea)(f，顶部)复制品。画面f还示出了在制造(侧视图)和后制造(顶视图)期间获得的蛋白质山龙眼的预测图像(左)和实际荧光图像(右)。
图11示出了掩模切断产生分部微结构。以冠状堆切断DMD显示的图像产生由光交联BSA构成的黑猩猩颅骨的矢状缝分部(a，左；b，右)。从完整的图像序列减去连续平面得到水平分部微结构(b；插图示出了顶视图)。比例尺，10μm。
图12示出了单个掩模序列可以产生复杂的3D对象。左：使用150个连续平面制造的蛋白质微编织物的SEM，每个平面利用1μm的竖直步长间隔开。每个平面的掩模数据是以互锁的“图7”图案移动的三个环的动画。右：基于掩模图像的预测3D重构。使用400mg mL-1BSA和5mM亚甲基蓝制造微结构。所有比例尺，10μm。
图13示出了用于引导细胞运动和模塑3D细胞集群的微架构的原型制作。a.具有进入螺旋坡道(20°斜度，270°扭转)的单个入口的微室原型的3D重构(基于掩模图像)，该坡道通向并进入封闭的中心容器的前上部(标记以微米为单位)。b.具有完整顶部(左上画面)和分部顶部(右上画面和下画面)的微室原型的SEM。c.通过入口并被引向螺旋通道的单个流畅游动的大肠杆菌(由椭圆封闭)的DIC图像序列。虚线表示通道的上沿；序列的经历时间为1秒。d.在微室(来自画面c)内用T肉汁(T-broth)整夜培育大肠杆菌导致模塑得到的细胞集群的生长与内部架构的形状相符。插图示出了每个画面的焦点的位置和细胞集群的示意图。所有结构都是使用120个掩模的序列(其中标本沿着掩模之间的光轴以0.3μm步进)由BSA溶液在～2分钟内制成的。标称结构高度(c和d)，32μm。比例尺，10μm。
图14示出了使用MDML制造用于微激励的BSA梯度杆。(a)：在制造溶液内的激光扫描产生沿着结构边缘(如画面1中)的材料梯度。该“边缘效应”是在光栅扫描期间在图案边缘由于更长的激光停留时间而产生的。通过将不透明的光掩模放置在与制造平面(即，MDML)共轭的平面内，结构的中心区域(画面1中的“被掩蔽的区域”)将被消除，只留下扫描边缘(画面1中的“未被掩蔽的区域”)。这样，从具有沿着它们的宽度的材料梯度的扫描边缘区域产生杆，这是产生可限定的弯曲能力的过程。画面2示出了通过只不掩蔽左扫描边缘(“L”)或右扫描边缘(“R”)而产生的杆。由显微镜台在与光栅扫描(以500Hz进行)垂直的方向上以1μm/s的速度平移未被掩蔽的区域以产生表面束缚的杆(附着点位于虚线附近；更多的细节请见方法部分)。画面3示出了在用pH 2.2(HCl)漂洗处理后的杆弯曲。比例尺，3μm。(b)：扫描电子显微图(SEM)展现了沿着杆的边缘的厚度梯度。早期研究表明：对于被有差别地照射的蛋白质微结构而言，密度梯度可伴随着厚度梯度(参考20)。(c)：SEM示出了束缚到具有梯度杆的表面的PMMA微球体。比例尺，3μm。
本专利或申请文件包含至少一个彩色附图。当提出请求并交付必要的费用时，专利局将提供具有彩色附图的本专利或专利申请公布的副本。
尽管易于对本公开作出各种修改和可替选形式，但仍在附图中示出并且在下面更详细地描述了特定示例实施例。然而，应当理解，对特定示例实施例的描述并非意在将本发明限制于所公开的具体形式，相反，本公开将覆盖部分地由所附权利要求阐明的所有修改和等同设置。
具体实施方式
根据某些实施例，本公开总体而言涉及用于毫微及微结构制造的系统和方法。
在某些实施例中，本公开提供了一种用于三维制造的系统，该系统包括：能量源、至少一个共轭掩模、放大器件以及制造材料，其中共轭掩模被布置在能量源和放大器件之间，并且其中制造材料被布置成对放大器件适用。这里所使用的共轭掩模指的是被放置在具有空间位置到制造平面的近似一一映射的焦平面内的掩模。在操作中，能量从能量源发出、通过放大器件到达制造材料(参见例如图1)。共轭掩模至少部分地阻挡与其接触的从能量源发出的能量。这样，掩模的不同性质被转移到制造材料，使得能够制造具有多种特征的结构。
能量源可以是能够引起制造材料的改变的任何源。相应地，所选择的能量源将取决于具体的应用和制造材料。合适的能量源的一个例子是激光光源。这样的激光器可以包括但不限于飞秒钛/蓝宝石或者倍频调QNd:YAG激光器。如下面更详细描述的那样，能量源被引导到共轭掩模，并且可以聚焦在共轭掩模上和/或被空间扫描于共轭掩模的位置。
在一些实施例中，能量源可以包括一个或多个激光束。这样的配置允许在共轭掩模的不同区域上同时扫描。这样，可并行地制造微结构/微器件的不同区域。这种方法可例如用于减少产生给定空间图案所需要的制造时间。
在一些实施例中，该系统还可以包括射束扫描器件。射束扫描器件尤其允许将入射能量扫描到共轭掩模的多个位置。此外，可以用各种方式(包括以矩形光栅方式、以圆形方式、随机地等)扫描来自能量源的能量。合适的射束扫描器件在本领域中是已知的，包括但不限于检流计驱动的镜和声光偏转器。
共轭掩模被布置在能量源和放大器件之间。该掩模应当至少部分地阻挡能量从能量源向放大器件和/或制造材料的传输。共轭掩模可以是静态掩模(例如，物理对象和光掩模)或动态掩模(例如，能够将来自能量源的能量在空间上图案化以呈现可由放大器件转移到制造材料的形状的器件)。
静态掩模比如光掩模和物理对象可以被认为是静态的，因为它们相对于它们呈现的图案是固定的。然而，如下面所讨论的那样，静态掩模可以在制造期间相对于制造材料移动，从而例如允许材料的梯度的制造(参见图2、图5、图6)。相比之下，动态掩模相对于它们呈现的图案不是固定的。动态掩模通常尤其被电子地控制，以允许例如通过计算机的图形输出快速产生、处理和修改数字式限定的掩模(即，数字掩模)。
在某些实施例中，共轭掩模可以是光掩模(例如，具有允许光以限定的图案透过的孔或透明物的不透明板)。合适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，而是允许一小部分入射光穿过。部分透明的掩模可例如在产生梯度时是有用的。合适的光掩模也可以全部或部分是透射式或反射式的。
在某些实施例中，共轭掩模可以是物理对象，其形状被转移到制造材料。三维物理对象可能沿着光轴显著延伸，尽管主要部分可能被定位成与制造平面之间有近似一一空间映射。
如上所述，共轭掩模可以是动态掩模。合适的动态掩模的例子包括但不限于使用反射式和/或透射式元件的电子寻址及光学寻址的空间光调制器。反射式元件的例子包括但不限于微镜器件、液晶显示器、衍射式光栅、衍射式光学元件和反射式光阀。透射式元件的例子包括但不限于液晶显示器和透射光阀。
因为动态掩模可以被电子地控制，所以它们可以允许通过计算机的图形输出快速产生、处理和修改数字式限定的掩模。相应地，在一些实施例中，本公开的具有数字对象共轭掩模的系统还可以包括计算机。在操作中，动态掩模可以允许通过将限定较大结构各部分的数字掩模的依次显示与制造衬底相对于每个对应部分的制造区域的竖直定位协同配合来快速制造大范围的三维微结构。此外，通过将变化的数字掩模的依次显示与制造材料的水平平移协同配合，可以在具有与数字掩模对应的特征的衬底上并排制造各部分。这样，可以由掩模阵列快速制造任意2D和3D复杂度的结构。并且可以通过将制造暴露(例如沿着2D、3D坐标)平移到制造材料来制造尺度超过制造暴露尺度的结构(参考图9)。
引导制造的信息可以作为例如使用3D成像技术获取的3D数据驻留在计算机中。这样的技术包括但不限于X射线CT扫描、磁共振成像、正电子发射断层造影术、其它断层造影术、共焦成像、双光子和多光子成像、基于干涉的成像技术以及基于声波和超声波成像的技术。这样的信息可以例如容易地存储为分立2D图像的堆，其可以在制造期间被用作连续的掩模。或者，可以使用其它方法产生3D信息，比如使用3D计算机辅助设计、基于几何参数的其它3D映射方法(参见图13)以及从一个掩模到下一个掩模依次递增地重定向几何形状(参见图12)。3D信息可以存储在远离制造地点的计算机上，从而允许在制造过程期间或之前从存储器传递制造指令。
放大器件可以是能够将至少一个形状从共轭掩模转移到制造材料的任何器件。放大器件典型地具有大于1的放大倍数，尽管本公开也考虑到了其他放大倍数。在本公开中使用的大于1的放大倍数指的是在将能量从共轭掩模转移到制造材料内的共轭平面时缩小焦点的尺寸的放大系统。在一些实施例中，放大器件可以缩小形状的尺寸。该缩小例如将会发生在使用常用放大光学器件将光聚焦到制造材料中时，这完全不同于从标本收集光的常例(其在产生形状的图像时将会导致形状的尺寸的增大)。例如，放大器件可以是透镜(例如，镜筒透镜)和/或其它光学器件(例如，显微物透镜，比如高数值孔径经无穷远校正的显微镜物镜)。
制造材料可以是能够形成变更后的材料的空间图案化布置的任何光敏材料。这样的材料能够直接根据曝光或者通过随后的显影过程来实现光诱导的相位变化。所选择的制造材料至少部分地取决于具体应用。合适的制造材料的例子包括但不限于生物材料、光固化树脂、弹性体、无机-有机杂化聚合物、正性光刻胶、负性光刻胶、金属以及电活性催化材料。制造材料可以是多于一种材料的组合物。
生物材料可以被用作制造材料或者可以与制造材料合并。这样的生物材料包括但不限于氨基酸、肽、蛋白质、酶、核酸(例如RNA、DNA、适体(aptamer)等)、糖(例如单糖和多糖、碳水化合物、糖基团、透明质酸等)和磷脂。合成物还可包括细胞成分(例如来自细胞消化的成分)、整个生物细胞(例如细菌、真核生物)和细胞群(例如组织)。例如，制造材料可以包括多个蛋白质分子，或者可以包括布置在制造材料内的一个或多个细胞。这样的制造材料可以用于在存在细胞的情况下进行光刻。
制造材料还可以包括光固化树脂(例如聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、戊二酰亚胺、环氧树脂等)、弹性体(例如PDMS)、无机-有机杂化聚合物(OROMOCER)、正性光刻胶和负性光刻胶(例如SU-8)。制造材料还可包含金属电活性催化成分(例如Au、Ag、Pt及其毫微粒)。
在一些实施例中，该系统可以包括允许在制造期间移动共轭掩模的掩模平移器件。可以将掩模平移器件与静止透射式掩模(例如，如图5中的透明光掩模)或反射式掩模(例如，微镜器件)相结合使用。在这样的系统中，可以在制造期间平移和/或转动2D和3D掩模对象，从而改变制造材料的能量暴露区域。此外，可例如将制造材料平移器件与掩模对象平移相结合使用来平移(沿着x、y、z坐标平移)制造平面，以允许使用单个掩模或对象制造多个形状，以及在三维对象的制造过程中允许限定的材料梯度。
在一些实施例中，本公开提供了用于制造至多三维和包含三维的微器件的方法，该方法包括：提供能量源、放置在具有空间位置到制造平面的近似一一映射的平面内的至少一个掩模、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间，并且其中制造材料被布置成适用于所述放大；以及使制造材料暴露于从能量源发出的能量。
DMD快速切换正确对准的多个掩模的能力可导致用于提高制造的结构的空间分辨率的过程。DMD可被用于显示一系列掩模，其中个别掩模不对应于在给定平面制造的微结构，但是掩模序列将会产生所设计的结构。例如，被设计成产生接近该系统的分辨率极限的结构的掩模特征可能由于限定最小特征尺寸的化学和光学局限而产生仅以部分保真度再现的结构。然而，通过代替单个掩模而使用强调所设计对象的不同部分的一系列掩模，可以准确地再现所设计的微结构。
如上所述，制造材料可以包括布置在制造材料内的一个或多个细胞。因此，在某些实施例中，本公开提供了用于培养一个或多个细胞的方法，该方法包括：提供能量源、共轭掩模、放大器件以及制造材料和一个或多个细胞，其中共轭掩模被布置在能量源和放大器件之间，并且其中制造材料被布置成适用于所述放大；使制造材料暴露于从能量源发出的能量；以及在微器件内培养该一个或多个细胞。在一些实施例中，执行该用于培养一个或多个细胞的方法，使得该一个或多个细胞在微器件形成之后进入微器件。在其它实施例中，执行该用于培养一个或多个细胞的方法，使得微器件在形成时封闭该一个或多个细胞。
在一些实施例中，本发明的方法可以利用以一系列平面图像编码的三维数据，所述平面图像可显示在共轭掩模(比如电子器件)上。可以使用三维成像技术(比如共焦显微术、X射线计算断层造影术或磁共振成像)、根据生物标本(比如细胞或组织)的成像来产生输入数据。制造体素(voxel)的位置可以移动，以与图像/掩模的序列适当地对应，使得成像的生物标本的构形被复制在制造的材料中。
在一些实施例中，使用展现设计形状(比如一组编织绳)的三维构形的算法来产生例如呈现给电子器件的共轭掩模序列。制造体素的位置可以移动，以与图像/掩模的序列适当地对应，使得计算出的形状的构形产生在制造的材料中。
根据某些实施例，本公开还提供了使用上述方法和/或系统形成的合成物。这样的器件包括但不限于：光学器件和器件组件，比如实现传输、发射、调制和检测电磁辐射的光学器件和器件组件(例如，偏振器、棱镜、滤光器、光子和谐波产生晶体、衍射式光学元件、相位掩模、光放大和光子检测器件)以及操纵光的几何性质的光学器件和器件组件(例如，镜、透镜、光掩模)；机械器件和器件组件，包括有源元件(电源、电感器、致动器)和器件组件架构(例如，三维微机电器件)；流体器件，包括用于输送流体的元件(泵、阀、混合器)以及流体和器件架构(例如，流体通道的接头比如T形接头、充满流体的通道和空通道的用以形成阀或泵的接头、3D微流体器件)；电器件，包括导体、半导体和电阻元件(例如，金属线和高介电/电阻材料；电容器、二极管、晶体管、电阻器等)；用于发育和操纵细胞、组织以及细胞/组织类似物的化学和生物器件(例如，细胞培育器和台架、细胞和组织复制品等)，具有促进、阻止与附加(第二)粘合元件的互作用和/或对该互作用没有实质影响的化学和构形提示的器件和衬底，包括但不限于化学元素(即，特定元素标识、同位素、氧化还原态等的元素)、分子、聚合物(例如，多糖、多肽)、生物细胞(例如，细菌、真核细胞)、组织或细胞集合、或者衬底。此外，与第二元件的互作用可以提供这两个元件之间的协同功能(例如，化学、机械、电或电磁行为的调制)，其可以实现第二元件(例如，化学或生物传感器)的检测/测量并且还可以允许附加元件(即，第三元件、第四元件等，比如核苷酸、肽、蛋白质阵列)的粘合。以上实施例还可以用由以上元件中的一个或多个组成的阵列(例如，光学、机械、流体、电学、化学/生物台架或传感器的阵列、片上实验室或它们的组合)来实现。
因此，本发明很适合于获得所提到的以及其中固有的目的和优点。尽管本领域的技术人员可以作出许多改变，但是这样的改变包含在部分地由所附权利要求阐明的本发明的精神之内。
例子
材料：亚甲基蓝(M-4159)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD，F-6625)由Sigma-Aldrich(密苏里州圣路易斯)提供。牛血清白蛋白(BSA，BAH64-0100)由Equitech-Bio(德克萨斯州Kerrville)提供。亲和素(A-887)和荧光素生物素(B-1370)由Molecular Probes(俄勒冈州尤金)提供。所有化学品和溶剂按照提供者的说明书保存，并且不进一步提纯地加以使用。用于激光打印机的办公室级透明膜被用于在惠普Laser Jet2100TN上产生光掩模。
菌株：大肠杆菌RP437(野生型，wt)和RP9535(流畅游动，ΔcheA)由John S.Parkinson(犹他大学生物系)友情提供，在胰化胨肉汁(32℃)中需氧培育，并且在中对数期收获。细胞在PBS(10mM磷酸钾，pH 7.0)中稀释20-100倍，用于制造的微室的实验。
基质制造：使用工作于730至740nm的锁模钛：蓝宝石激光器(Tsunami；光谱物理，加利福尼亚州Mountain View)的输出在未处理的#1显微镜盖玻片上制造由光交联的蛋白质构成的基质。将激光束使用共焦扫描器(BioRad MRC600)光栅扫描成矩形图案并在扫描箱和显微镜之间聚焦。将掩模放置在焦平面(在本文中称为“掩模平面”)内允许制造的对象中的最大保真度，因为掩模平面与显微镜标本平面共轭，尽管掩模也可以在被置于扫描箱和显微镜之间(18cm)的任何位置时以较小的边缘分辨率加以使用。例如，图1B中的德克萨斯形微梯度是同时使用两个掩模制造的：用于定义梯度边缘的负光掩模被放置在掩模平面内，而第二个直边完全不透明的掩模在制造期间被平移到掩模平面之外约7.5cm。通过在测试光制造过程期间调节掩模的XY位置来人工对准掩模。通常使用3Hz的矩形扫描频率(完成光栅扫描的矩形的时间的倒数)以100至200μm/s的线性速度平移移动的掩模。
激光输出被调节为近似充满位于Zeiss Axiovert倒置显微镜系统上的油浸物镜(Zeiss 100x Fluar，1.3数值孔径)的后孔径。通过使用半波片/偏振分束镜对衰减激光束来获得期望的功率(在显微镜物镜的后孔径之前是30-40mW)。为了沿着z维度(即，沿着光轴)延伸结构，利用显微镜精细调焦在制造溶液内人工平移激光焦点的位置。通过在达到期望的结构高度后去除掩模，可以容易地用闭合矩形屋顶从顶部密封微室。通过允许每竖直行进1微米在样品上进行两次全光栅扫描来产生典型的2-10μm高的微室。该过程允许以10-30秒的时标制造完全成形的3D对象。
由包含作为光敏剂的2-3mM亚甲基蓝和320-400mg/mL蛋白质的溶液制造由光交联BSA构成的微结构。对于具有生物相容性的制造(例如，图2)，使用黄素腺嘌呤二核苷酸(5mM)作为光敏剂。在这些研究中对于微结构可实现的实际(横向)分辨率(～0.5μm)低于我们在一些前述实例中对于蛋白质光交联所实现的实际分辨率，这归因于掩模质量、结构的制造速度以及在SEM图像情况下的成像准备过程。对于高数值孔径多光子激发而言典型的是，体素在竖直维度上有些伸长。当需要制造微结构时，经过先前光交联的蛋白质溶液的相当大厚度的竖直聚焦被进一步减小。在图4和支持图中所示的微结构的蛋白质厚度的不均匀性很可能是扫描过程中的伪影的结果，因为它们在未使用掩模的一些情况下也被观察到。
利用数字微镜器件进行的基质制造：调谐到730-740nm的锁模钛蓝宝石激光器(光谱物理，Tsunami)的输出被对准到共焦扫描箱(Biorad，MRC600)中，其中检流计驱动的镜以光栅图案扫描光束。数字微镜器件(DMD)被放置于与高数值孔径物镜的前焦平面共轭的中间像平面。在这些实验中使用的DMD(德州仪器，0.55SVGA)是部分拆卸的商业投影仪(明基，MP510)的一个组件。DMD的反射面是由16μm×16μm铝镜构成的848×848阵列。每个镜可以在对应于±10°倾角的“开”和“关”状态之间切换。各个镜由被编程为显示(通过在开和关状态之间调制来显示)计算机的图形输出的完整投影仪电子设备来控制。焦距为15.2cm的透镜将激光聚焦到DMD上，这在芯片表面上产生～30μm的估计光束直径。束斑扫描在DMD镜的约四分之一内。当复制白色显示时DMD反射率为～40％。沿着光路反射的光被焦距为15.2cm的镜筒透镜准直并被发送到倒置显微镜(Zeiss Axiovert)中。使用Zeiss Fluar，100x/1.3NA油浸物镜。
结构的数字信息：利用DMD进行微制造的系统可用于根据需要最少处理的输入数据、以不需要特定编程的过程快速构建复杂的3D微结构。每个制造的平面的信息可包含在数字图像中，所述数字图像可来自于包括但不限于以下图像的源：从X射线计算断层造影数据得到的图像、由利用计算机辅助设计软件创建并随后被分成各个平面的三维模型限定的图像、利用可依次地逐步改变以限定三维微结构的切片数据的图形软件显示的在数学上定义的几何图像、或者从通过多光子或共焦显微术获取的光学切片数据得到的图像。
BSA微室中的细胞培育：在制造蛋白质塞以在微室中捕获单个细菌(图2D的画面2；室尺寸，10×10×4μm)之后，在1mL的碟中的胰化胨肉汁中在环境温度(22℃)下培育细胞。以约6小时的间隔更换介质并且在3天的时段内监视该微室。
荧光显微术：在装配有汞弧灯和标准“红”和“绿”滤光器组(Chroma，弗吉尼亚州Rockingham)的Axiovert显微镜上进行宽场荧光成像。使用Fluar 100×物镜收集荧光发射并使用12位1392×1040像素CCD(Cool Snap HQ；Photometrics，亚利桑那州图森)检测该荧光发射。使用Image J和Metamorph(Universal Imaging，加利福尼亚州桑尼维尔)图像分析软件处理数据。
扫描电子显微术(SEM)准备：样品在3.5％的戊二醛溶液中固定20分钟并通过使用10分钟的连续洗涤(2∶1乙醇/水；在100％乙醇中两次；1∶1乙醇/甲醇；100％甲醇；所有溶液都以体积比表示)来脱水，被允许风干3小时，并用Au/Pd溅涂到12-15nm的标称厚度。
因此，本发明很适合于获得所提到的以及其中固有的目的和优点。尽管本领域的技术人员可以作出许多改变，但是这样的改变都包含在部分地由所附权利要求阐明的本发明的精神之内。

Claims (37)

1.一种系统，包括能量源、至少一个共轭掩模、放大器件以及制造材料，其中所述至少一个共轭掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之间，并且其中所述制造材料被布置成对所述放大器件适用。
2.根据权利要求1的系统，其中所述能量源是激光器。
3.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模是静态掩模。
4.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模是动态掩模。
5.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模是反射式的或透射式的或部分反射部分透射式的。
6.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模包括较大透射的区域和较小透射的区域。
7.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模是数字微镜器件。
8.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个共轭掩模是液晶显示器。
9.根据权利要求1的系统，还包括计算机。
10.根据权利要求1的系统，其中所述放大器件包括透镜。
11.根据权利要求1的系统，其中所述放大器件包括显微镜物镜。
12.根据权利要求1的系统，其中所述制造材料的至少一部分选自于生物材料、光固化树脂、弹性体、无机-有机杂化聚合物、正性光刻胶、负性光刻胶、金属以及电活性催化材料中的一种或多种。
13.根据权利要求1的系统，还包括射束扫描器件。
14.根据权利要求1的系统，还包括掩模平移器件。
15.根据权利要求1的系统，还包括制造材料平移器件。
16.一种方法，包括：提供能量源、至少一个共轭掩模、放大器件以及制造材料，其中所述至少一个共轭掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之间，并且其中所述制造材料被布置成适用于所述放大；以及使所述制造材料暴露于从所述能量源发出的能量。
17.根据权利要求16的方法，其中所述能量源是激光器。
18.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模是静态掩模。
19.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模是动态掩模。
20.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模是反射式的或透射式的或部分反射部分透射式的。
21.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模包括较大透射的区域和较小透射的区域。
22.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模是数字微镜器件。
23.根据权利要求16的方法，其中所述至少一个共轭掩模是液晶显示器。
24.根据权利要求16的方法，其中所述放大器件包括透镜。
25.根据权利要求16的方法，其中所述放大器件包括显微镜物镜。
26.根据权利要求16的方法，其中所述制造材料的至少一部分选自于生物材料、光固化树脂、弹性体、无机-有机杂化聚合物、正性光刻胶、负性光刻胶、金属以及电活性催化材料中的一种或多种。
27.根据权利要求16的方法，其中所述制造材料包括一个或多个细胞。
28.根据权利要求16的方法，其中来自所述能量源的能量被扫描。
29.根据权利要求16的方法，其中在制造期间所述至少一个共轭掩模能平移或转动或既平移又转动。
30.根据权利要求16的方法，其中在制造期间制造平面能平移或转动或既平移又转动。
31.一种方法，包括：提供能量源、至少一个共轭掩模、放大器件以及包括一个或多个细胞的制造材料，其中所述共轭掩模被布置在所述能量源和所述放大器件之间，并且其中所述制造材料被布置成适用于所述放大；使所述制造材料暴露于从所述能量源发出的能量以形成图案化的制造材料；以及在所述图案化的制造材料内培养所述一个或多个细胞。
32.根据权利要求31的方法，其中所述制造材料的至少一部分选自于生物材料、光固化树脂、弹性体、无机-有机杂化聚合物、正性光刻胶、负性光刻胶、金属以及电活性催化材料中的一种或多种。
33.根据权利要求31的方法，其中来自所述能量源的能量被扫描。
34.根据权利要求31的方法，其中在制造期间所述至少一个共轭掩模能平移或转动或既平移又转动。
35.根据权利要求31的方法，其中在制造期间制造平面能平移或转动或既平移又转动。
36.根据权利要求16-35的方法中的一种或多种形成的合成物。
37.根据权利要求16-35的方法中的一种或多种形成的合成物，用以形成光学器件、机械器件、电器件、化学/生物器件、具有正、负和中性提示的器件、生物传感器以及阵列中的一种或多种。
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