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水凝胶由于性质可调和生物相容性，是生物医学应用中有前景的材料。对水凝胶表面进行高精度结构化可增强对水凝胶界面相互作用的控制，进而影响植入物整合、药物递送和癌症建模等应用。然而，水凝胶表面的纳米尺度自由形态图案化及其形貌的原子力显微镜（atomic force
水凝胶由于性质可调和生物相容性，是生物医学应用中有前景的材料。对水凝胶表面进行高精度结构化可增强对水凝胶界面相互作用的控制，进而影响植入物整合、药物递送和癌症建模等应用。然而，水凝胶表面的纳米尺度自由形态图案化及其形貌的原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）表征尚未实现。在此，研究人员展示了一种可靠的水凝胶表面纳米图案化工艺，通过结合热扫描探针光刻（thermal scanning-probe lithography, TSPL）与复制成型（replica molding），在水凝胶界面构建特征尺寸小至138 nm的灰度表面形貌。在制备过程中，水凝胶发生脱水，导致原始图案收缩。研究人员将水凝胶收缩作为图案小型化途径进行探索，并研究其收缩行为。研究人员确定了横向收缩因子为1.4–2.2、纵向收缩因子为2.5–37.0，并证明可通过改变水凝胶前驱体中的水与单体比例来调节收缩。此外，研究人员表明，收缩后的脱水水凝胶图案可用作金属沉积的模板。
研究背景方面，水凝胶是交联聚合物网络，可吸收或释放大量溶剂，并在显著体积变化下保持结构与形状；其交联程度和密度可调，因而可按需求设计性质，广泛用于药物递送、人工组织支架、改善植入物整合的涂层及细胞导向表面等生物医学场景。在癌症治疗中，基于水凝胶的药物递送系统可改善对癌细胞靶向的控制、延长药物在体内的作用时间并减少周围组织的脱靶暴露；水凝胶还可模拟肿瘤环境的力学性质，用于研究药物扩散、药效、癌细胞增殖与迁移。上述应用中，水凝胶与环境的界面决定关键相互作用，表面形貌因而成为关键因素；细胞运动和黏附已被证明受表面图案影响。现有水凝胶表面图案化多在微米尺度实现，纳米尺度仅见随机分布纳米柱和二元纳米光栅的报道；在常规水凝胶表面可靠制备任意、连续深度（灰度）且具有纳米级横向尺寸和纳米级高度变化的表面形貌仍具挑战。直接TSPL虽已用于丝素蛋白水凝胶，但依赖材料对加热探针的合适且可控热机械响应，限制了其在水凝胶体系中的适用性。基于此，研究人员提出将高分辨率光刻图案化与基于收缩的小型化相结合：不直接以TSPL图案化水凝胶，而是图案化标准TSPL抗蚀剂，经刻蚀转移至硅（Si）片形成主模板，再以复制成型获得纳米尺度水凝胶图案；初步实验提示可直接从图案化TSPL抗蚀剂复制水凝胶，但本研究使用Si主模板是因为其在反复模塑和脱模中更稳健、可重复使用。研究还探索脱水收缩作为图案小型化途径，并展示收缩脱水水凝胶可作为金属沉积模板。其意义在于为理解纳米形貌如何影响植入物整合、癌细胞迁移和人工组织设计提供平台，同时为软、生物相容材料的收缩光刻提供数据，并拓展纳米制造路径。
关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用热扫描探针光刻（TSPL；以加热探针在热敏聚合物上逐点升华形成连续深度轮廓）在旋涂于Si片的聚邻苯二甲醛（polyphthalaldehyde, PPA）抗蚀剂上写入灰度图案，经电感耦合等离子体反应离子刻蚀（inductively coupled plasma reactive-ion etching, ICP-RIE）将图案转移到Si主模板；随后以复制成型将液体丙烯酰胺水凝胶前驱体注入模具，紫外光聚合后水浴溶胀脱模，再经受控脱水与100°C烘烤获得收缩样品；以原子力显微镜（AFM）在轻敲模式表征Si、脱水水凝胶和金膜表面，并进行截面、残差图、脉冲响应与径向功率谱密度分析；最后以热蒸发在金层沉积后借助紫外固化环氧转移并溶胀分离水凝胶，获得图案化金膜。该研究不涉及样本队列来源。
研究结果部分：2.1 Patterning Hydrogel Surfaces（水凝胶表面图案化）：研究人员按旋涂PPA、TSPL写入灰度位图、ICP-RIE刻蚀Si、复制成型水凝胶、紫外聚合、水浴脱模、受控脱水与烘烤的流程制备样品。由于溶胀水凝胶表面覆有水膜、材料柔软易与AFM探针黏附、且其折射率与周围溶剂接近而难以定位图案，AFM表征只能在脱水后进行；为减小畸变，研究人员在疏水玻璃上于加盖培养皿中缓慢干燥，再于100°C烘烤去水。以啁啾正弦灰度图案测试，Si上最小特征局部波长449 nm、高度8.1 nm，在水凝胶表面变为局部波长260 nm、高度1.0 nm，横向和纵向分别收缩约1.7和8.0倍；第二小特征由530 nm宽、14.8 nm高变为278 nm宽、1.6 nm高，分别收缩1.9和9.4倍。结果表明水凝胶表面获得原始图案的反相小型化复制；纵向收缩更大与方向性蒸发有关，且浅于10 nm的特征在干燥中趋于展平，仅部分可辨，聚合物网络内应力和表面张力亦促使结构展平；脱水收缩可逆，水凝胶可再水合并再次脱水而保留图案，但存在循环间变化。
2.2 Effect of Hydrogel-Precursor Composition（水凝胶前驱体组成的影响）：研究人员比较水与单体比例为80:20%（v/w）和90:10%（v/w）的水凝胶对菱形图案的复制。结果表明，横向收缩因子分别为1.7和1.9，差异较小；纵向收缩因子由2.7增至11.4，说明前驱体含水量增加会显著增强纵向形貌收缩，同时图案变形增加、细节保留减少。水含量高于90%（v/w）时水凝胶不能完全聚合，低于80%（v/w）时变不透明且难以视觉定位图案；交联剂浓度经初始优化以平衡脱水收缩、机械稳定性和表面形貌可靠保留。
2.3 Limits of Hydrogel Patterning（水凝胶图案化极限）：研究人员用正弦、六边形和菱形三类图案考察可转移的最小特征。正弦图案波长2.7 μm、701 nm、138 nm，高度204、20、1 nm，均能转移；最小正弦图案深度1 nm、波长138 nm，经更高分辨率扫描确认不是探针共振伪影，相对于Si原始图案横向和纵向分别收缩2.2和34.4倍。三种正弦图案横向收缩变化较小（1.8、1.4、2.2），纵向收缩随特征尺寸减小由2.9增至23.7和34.4。六边形最小结构为444 nm宽、4 nm高，横向收缩1.8、1.8、2.0，纵向收缩2.7、4.6、37.0；菱形最小特征为290 nm宽、7 nm高，横向收缩1.7、1.8、1.8，纵向收缩2.5、4.0、8.1。结果表明较小特征纵向收缩更强；可能解释是其表面体积比更大、单位体积水蒸发更快，但表面体积比小幅增加即导致纵向收缩多倍增加，提示表面张力是主导因素。研究人员据此认为，制备方法在纵向受展平效应限制约为数纳米，横向分辨率由制备初始晶圆图案的TSPL技术限制决定。
2.4 Using Hydrogel Surfaces as Templates for Metal Evaporation（水凝胶表面作为金属蒸发模板）：研究人员探索将图案化水凝胶作为可重复使用模板用于金属表面图案化。流程为在干燥图案化水凝胶上热蒸发薄金层，以紫外固化环氧将金层粘至玻璃载玻片，浸水使水凝胶溶胀并与金分离，孤立金膜保留由Si主模板所得图案的小型化版本。以Albert Einstein图像为例，Si上图案经“Si→水凝胶→金”两次转移后仍可辨；残差图显示约20 μm长尺度上金表面有宽起伏，推测源于水凝胶模板各向异性收缩，但Einstein面部仍清晰，仅细特征轻微模糊，典型模糊尺度0.12–0.15 μm，与报道的最小水凝胶特征138 nm一致；Si与金图案的径向功率谱密度高度一致，说明图案细节被转移；应用模糊后残余偏差呈系统性，提示可在位图设计中预判并校正。该概念验证表明方法可在水凝胶表面生成任意计算机设计图案，并可将小型化版本进一步转移到其他材料。
讨论部分总结：研究人员围绕脱水后AFM表征的必要性、收缩各向异性及其机制、前驱体组成对收缩的影响、图案化分辨率限制以及水凝胶作为金属转移模板的可行性进行讨论。脱水是AFM可靠表征的前提，缓慢干燥用于减小畸变；纵向收缩大于横向部分源于方向性蒸发，内应力和表面张力使结构展平，较软凝胶和较小结构展平更强，浅特征更易消失；水与单体比例通过影响交联密度和可移除水量调控收缩，高含水前驱体纵向收缩更强但细节保留更差；纵向分辨率受展平效应限制，横向分辨率受TSPL限制；金属转移展示水凝胶模板可重复使用、降低洁净室基础设施依赖，并可通过收缩实现金属图案小型化，尽管存在长尺度起伏和约0.12–0.15 μm模糊，但谱密度一致且偏差具系统性、可校正。
研究结论翻译：研究人员提出了一种通用且简单的方法，通过结合TSPL与复制成型，以纳米精度图案化水凝胶表面。不同的微米和纳米结构成功从Si主模板转移到水凝胶表面，AFM测量确认了图案转移。转移的最小特征特征长度为宽度138 nm、高度1 nm。脱水后，水凝胶发生各向异性收缩，横向收缩因子为1.4至2.2，纵向收缩为2.5至37.0。最后，研究人员研究了使用脱水水凝胶作为模板进行第二次图案转移至金属表面的可能性。图案化水凝胶经热蒸发涂覆薄金层，随后通过溶胀过程使水凝胶从金层分离。分离的金层含有水凝胶表面图案的反相结构。
