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智能微納機(jī)器人能夠響應(yīng)外部環(huán)境變化發(fā)生自適應(yīng)變形，進(jìn)而優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)模式并提升運(yùn)動(dòng)效率，在細(xì)胞操縱和靶向治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

智能微納機(jī)器人具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)，可以穿越狹窄的通道，到達(dá)病灶位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的精準(zhǔn)治療。為確保攜帶足夠藥量以提高治療效率，需要大量的微納機(jī)器人。然而，現(xiàn)有制備方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能微機(jī)器人的高通量加工，這大大限制了其在臨床上的應(yīng)用。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)全息光場(chǎng)的智能微螺旋機(jī)器人的高效制備技術(shù)，可以在0.5h內(nèi)加工出上千個(gè)微螺旋機(jī)器人。該機(jī)器人以一種可pH響應(yīng)的水凝膠為主體材料，表面吸附了磁性Fe?O?納米粒子，在外部pH的調(diào)控下微螺旋機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自身形貌的智能自適應(yīng)變形，進(jìn)而在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生多模態(tài)運(yùn)動(dòng)?；诖?，研究人員展示了該環(huán)境響應(yīng)性智能螺旋機(jī)器人穿越復(fù)雜地形，并實(shí)現(xiàn)了藥物的靶向運(yùn)輸。

目前，該成果以“Rapid fabrication of reconfigurable helical microswimmer with environmentally adaptive locomotion”為題發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后李瑞和博士生陶源為該論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李家文副教授和香港中文大學(xué)張立教授為論文通訊作者。

飛秒激光雙光子微納加工技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)的可控加工，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微納機(jī)器人的制備。然而，傳統(tǒng)的飛秒激光雙光子加工是基于逐點(diǎn)掃描的加工策略，加工效率低。

為了解決這一問(wèn)題，課題組基于空間光調(diào)制器，利用設(shè)計(jì)的計(jì)算全息圖將飛秒高斯光束調(diào)整成具有缺口的環(huán)形貝塞爾光場(chǎng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)加載旋轉(zhuǎn)的計(jì)算全息圖，生成可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形光場(chǎng)，配合工作臺(tái)上下移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)微螺旋結(jié)構(gòu)的高效制備。

相比于飛秒激光單點(diǎn)直寫(xiě)加工，該方法可提升制備效率超100倍，加工1000個(gè)微螺旋機(jī)器人僅需0.5 h。

此外，研究人員基于該方法還實(shí)現(xiàn)了多種仿生形貌的微螺旋機(jī)器人的制備，如螺旋藻形，精子形，布氏錐蟲(chóng)形和大腸桿菌形微機(jī)器人。

圖1：基于旋轉(zhuǎn)全息加工技術(shù)高通量制備多形貌微螺旋機(jī)器人

課題組合成了一種可pH智能響應(yīng)的水凝膠，基于上述動(dòng)態(tài)全息加工技術(shù)制備的微螺旋機(jī)器人以pH響應(yīng)水凝膠為主體材料，并在表面修飾了Fe?O?磁性納米粒子。

在外部環(huán)境pH的調(diào)控下，微螺旋機(jī)器人可以發(fā)生收縮和膨脹變形，變形后的螺旋機(jī)器人在外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下展現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)模態(tài)：收縮滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和膨脹螺旋運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。微螺旋機(jī)器人在收縮滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，以短軸為旋轉(zhuǎn)軸，快速向前運(yùn)動(dòng)；在膨脹螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，以長(zhǎng)軸為旋轉(zhuǎn)軸，沿著垂直方向運(yùn)動(dòng)。

圖2：智能微機(jī)器人的自適應(yīng)變形與多模態(tài)運(yùn)動(dòng)

課題組基于智能微機(jī)器人的自適應(yīng)變形和模態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)，探究了其在復(fù)雜地形穿越和靶向給藥方面的應(yīng)用，如圖3所示。

圖3：智能微螺旋機(jī)器人穿越復(fù)雜地形和靶向藥物治療

在收縮狀態(tài)下，微機(jī)器人在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，快速跨越障礙到達(dá)目標(biāo)位置；在收縮狀態(tài)下，微機(jī)器人進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，可穿越狹窄的通道。此外，攜帶有抗癌藥物（DOXs）的智能微機(jī)器人發(fā)生自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)從而快速穿越障礙，到達(dá)目標(biāo)位置并釋放藥物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞的靶向殺死。

論文信息

Rui Li, Yuan Tao, Jiawen Li, Dongdong Jin, Chen Xin, Shengyun Ji, Chaowei Wang, Yachao Zhang, Yanlei Hu, Dong Wu, Li Zhang, Jiaru Chu. Rapid fabrication of reconfigurable helical microswimmers with environmentally adaptive locomotion[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 29(2023). doi: 10.37188/lam.2023.029

https://doi.org/10.37188/lam.2023.029

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