在微阵列、智能表面、组织工程等研究方向，聚合物刷图案正成为一类重要的界面构筑方式。这类表面的性能主要取决于三个因素：单体组成、聚合物刷高度，以及刷层在表面的分布。长期以来，光刻技术虽然能实现微米级图案化，却很难同时独立调控上述变量。针对这一难题，美国纽约市立大学 Adam B. Braunschweig 团队在 Nature Communications 报道了“聚合物刷超表面光刻”（Polymer brush hypersurface photolithography）。该工作基于目前已经可以凿出芯片的TERA- Fab®E series 聚束笔无掩膜光刻打印沉积系统，把数字微镜器件（DMD）、微流控和无氧反应腔整合到压电平台上，实现了无需昂贵光掩模的聚合物刷图案打印。

图 1 光化学打印机：微流控负责把单体溶液送入反应腔，计算机控制的 DMD 负责向表面投射图案，压电平台则精确移动反应池。三者协同，通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）生成多组分聚合物刷图案。

01仪器与工作流程

该打印机以 TERA-Fab®E series 聚束笔无掩膜光刻打印沉积系统为基础构建。DMD 包含 1024×768 个独立可控微镜；光源为 405 nm LED，功率约 32 mW cm⁻²；压电平台与 CPU 接口配合，可将上传图像文件中的图案投射到基底表面。无氧反应腔由密封聚苯乙烯池、玻璃窗以及管路进出口组成。功能化基底上方再覆盖一块玻璃板，形成约 50 µL 的反应池，溶液依靠毛细作用铺展在表面。单体、溶剂和光敏剂组成的反应液由注射泵控制流入和流出；若需要混合不同比例组分，还可在上游接入微流控混沌混合器。

基底通常先经过氨基硅烷化处理，再引入 α-溴异丁酰溴，从而在 Si/SiO₂ 表面固定 SI-ATRP 引发剂。光照后，引发剂引发单体聚合，形成接枝聚合物刷。由于 DMD 可以逐像素控制光照，微流控可以切换溶液组成，因此每个像素的高度和化学组成都可以独立设计。

02用光剂量控制聚合物刷高度

作者首先以甲基丙烯酸甲酯（MMA）与荧光单体 FMA（约 300:1）为模型，加入 Ir(ppy)₃ 光敏剂，研究曝光时间与聚合物刷高度的关系。曝光时间从 2 min 到 22 min 变化时，AFM 测得的高度由 2.8±0.4 nm 增加到 10.7±0.6 nm；荧光归一化强度由 2.2±0.2 增加到 6.3±0.4。聚合物高度随曝光时间呈线性增长，说明可以通过控制光剂量精确设定每个像素的刷层高度。

利用这一规律，团队把自由女神像的黑白图像转换为五级灰度，再转化为五组阈值图像，分别对应不同曝光时间。最终打印出的聚合物刷图案中，不同亮度区域对应不同高度。论文指出，单个像素边缘约 4.3 µm；受光散射影响，最小孤立像素约为 10 µm，而较大特征可由 100 个微镜形成约 430 µm 的图案。

图 2 高度与位置控制：展示了曝光时间对荧光强度和聚合物高度的影响，以及用五级灰度打印自由女神像的结果。AFM 高度分析确认，不同荧光强度确实对应不同聚合物刷高度。

03多组分聚合物刷图案

在高度控制之外，该平台还能同时调控每个像素的化学组成。作者把巴塞罗那天际线图像分解为红、绿、蓝三个通道，并分别对应三种荧光单体溶液：RMA、FMA 和 CMA。三种溶液依次流入反应池，DMD 按对应通道图案曝光，最终形成多组分聚合物刷阵列。每个通道采用四级阈值，从而在同一图案中实现不同组成与不同高度的组合。

这项工作说明，原则上可以把几乎无限多种单体或单体混合液顺序引入反应池，从而在每个像素独立设定聚合物组成和刷层高度。这为微阵列、细胞界面模型、抗菌/防污涂层等应用提供了新的制备思路。

图 3 组分聚合物刷图案：展示了用三种荧光单体打印的巴塞罗那天际线图案，以及局部放大图。不同颜色通道对应不同单体组成，证明该平台具备多路复用聚合物刷打印能力。

04嵌段共聚物超表面

更具挑战性的是沿聚合物链调控组成。作者进一步打印了嵌段共聚物阵列：每个像素可包含 pEGDMA、ptBMA，或二者的嵌段共聚物。实验通过顺序引入单体溶液，并分别控制每段曝光时间，来调节各段高度。AFM 结果显示，中间行嵌段共聚物的总高度大于任一均聚物行，说明第一段聚合后链端仍保持活性，第二段可以继续从链端增长。这证明该平台不仅能控制“每个像素是什么”，还能控制“每条链上各段是什么”。

图 4 嵌段共聚物阵列：展示了嵌段共聚物阵列的荧光图像和 AFM 高度分析。中间行的高度高于上下两行均聚物，证实嵌段共聚物成功形成，且链端具有再引发能力。

05优势与前景

该平台可独立控制超过 750,000 个像素的位置与组成，并具有微米级特征分辨率。由于表面由计算机调制的 DMD 照射，任意图案都无需一系列昂贵光掩模。微流控与无氧反应腔同 DMD 的集成是关键创新：它允许不同材料在时空上受控接枝，并能兼容对氧气和水敏感的光化学体系。此外，该技术还能在单次打印中量化聚合动力学，从而加速反应筛选和聚合物涂层优化。

Braunschweig 曾表示，这是一种用于表面有机化学的新工具，其使用方式很大程度上取决于用户的想象力和有机化学知识。Daniel Valles 认为，该方法有望用于组装合成细胞，帮助理解活细胞界面上的相互作用，并推动药物和仿生技术发展。Nathan Gianneschi 则评价，这项工作把聚合物化学的创新扩展到界面，能够以高度可控的方式制造任意结构的界面。

TERA-Print 的 TERA-Fab 平台为这类前沿界面研究提供了稳定、灵活的平台。未来，随着不同化学体系、自动化微流控与 DMD 联动，以及光束笔阵列的集成，聚合物刷超表面光刻有望在通量、分辨率和通用性上进一步提升，推动软光刻进入一个合成界面复杂度可比拟生物界面的新阶段。

06TERA-Fab 介绍

TERA-Fab 是 TERA-print 推出的桌面式微纳制造平台。它将传统上依赖昂贵洁净室、固定光刻掩模和复杂工艺流程的微纳加工，转化为数字化、无掩模、材料兼容性广的桌面制造方式，使科研人员能够快速完成微纳结构设计、原型验证和小批量制备。

TERA-Fab 主要包含三类平台：

1. E Series 2.0：采用光束笔光刻（BPL）和大规模并行探针阵列，将数字图形直接写入光敏材料，分辨率可低于 250 nm，适合生物分子阵列、聚合物、水凝胶、纳米电子与光学器件、纳米流体模具等应用。

2. T Series：采用接触式探针光刻，通过包含数十万支独立探针的 PDMS 阵列，将分子墨水直接沉积到基底表面，兼容聚合物、生物分子、水性墨水及有机溶剂体系，尤其适合材料组合筛选和功能分子阵列制备。

3. Elite Series：面向更大面积和晶圆级加工，采用非接触式无掩模光刻，可在 4 英寸晶圆上实现约 1.5 μm 分辨率；适用于微流控模具、微电极阵列、生物传感器、组织工程水凝胶支架等。选配微流控模块后，还可进行多材料打印及寡核苷酸、聚合物和多肽的原位逐层合成。