生物兼容、环境友好、附加值高、应用广泛的生物蛋白材料一直以来都是我国战略性新兴产业发展的重要领域之一。近年来,随着半导体加工技术的蓬勃发展,先进的微纳加工技术开始应用到天然生物蛋白材料上,实现了具有多种特性和功能的微纳器件和系统,在生物医疗相关领域引起了广泛关注,已经成为一个广阔的多学科交叉型的研究方向。然而,当前大部分半导体微纳加工技术都难以与生物蛋白材料兼容,这严重限制了生物微纳器件和系统的进一步发展。针对上述挑战,本论文提出一种专门针对生物蛋白材料的环境友好型生物微纳加工工艺-水刻技术。目前主要研究成果如下:1.结合丝蛋白的可控溶解特性,将打印机变成“光刻机”,实现了晶圆级大规模生物蛋白水刻技术。相比于传统微纳加工技术,该技术兼具双重加工模式——“减法”模式和“加法”模式,既可实现水溶性丝蛋白的图形化溶解,也可实现功能性墨水的图案化沉积。此外,区别于传统微纳加工技术的特征在于:利用水刻技术不仅能完成平面微结构的加工,还可直接在曲面上实现微结构的制备。2.利用水刻技术的“减法”模式,可直接在蚕丝蛋白基底上加工出微透镜结构。基于加工图形的天然形貌特征,并结合蚕丝蛋白在可见光范围内良好的光学特性,从而实现了可用于光学成像的多焦距微透镜的大规模直接制备。此外,由于蚕丝蛋白具有可控的降解速率,因此该蛋白微透镜阵列在完成指定功能后可被降解,并且降解情况可通过其成像质量的变化来反馈。3.利用水刻技术的“加法”模式,实现了可定制细胞图案化培养。蚕丝蛋白作为生物分子矩阵化平台具有维持生物药物分子活性的优势,在此基础上,结合水刻技术,成功实现了脑胶质瘤与神经元细胞的图案化培养。从药物图案化到细胞图案化,整个过程完全可定制,并且不引入任何有毒害化学物质。4.应用水刻技术的双重模式,提高了纳米摩擦发电性能。打印墨水经多次无序沉积,按需加工蛋白刻蚀结构,进而定制了摩擦表面的粗糙度以增强摩擦纳米发电机电信号的输出。此外,通过掺杂金纳米颗粒、碳纳米管等方法来制备功能化墨水,刻蚀蛋白基底的同时还可化学修饰摩擦表面结构,从而优化了纳米摩擦发电机的电学性能。5.结合水刻技术及二氧化锆(Zr O2)介质微球自组装工艺,实现了全介质与混合超表面的规模化加工。通过调节水刻打印参数(如点阵周期、刻蚀深度),在蚕丝蛋白基底上制备了周期性孔阵作为Zr O2微球自组装的模板。基于蛋白微孔周期的灰度变化,我们实现了全介质超表面结构色的制备。进一步,在具有金属超表面的基底上,我们实现了Zr O2微球在谐振环开口处的分步自组装,最后成功制备了规模化混合超表面。本论文研究成果表明,基于蚕丝蛋白的水刻技术,不但实现了生物蛋白材料的晶圆级规模化快速加工,而且通过可定制细胞图案化培养,解决了目前半导体微纳加工制造中所存在的生物兼容性差、环境不友好等一系列问题。该技术成果涉及生物材料、生物光学、组织工程、先进制造等领域,具有十分广阔的应用发展前景。