華中科技大學(xué): 飛秒激光4D打印光驅(qū)動(dòng)智能微機(jī)械

來源： EngineeringForLife  

智能微機(jī)械能夠根據(jù)pH值,、溫度、和磁性等各種外部刺激自主改變其形態(tài)構(gòu)象,，長(zhǎng)期以來一直被認(rèn)為對(duì)仿生學(xué),、藥物傳遞、組織工程,、人工肌肉,、納米馬達(dá)、和微/納米等新興領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響,。在各種類型的外部刺激響應(yīng)性中,，光響應(yīng)性由于其優(yōu)異的內(nèi)在特性，如遠(yuǎn)程精確驅(qū)動(dòng)能力和多維光場(chǎng)調(diào)制(如波長(zhǎng),、頻率,、強(qiáng)度、偏振狀態(tài)和能量的時(shí)空分布),，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的智能微機(jī)械最有前途和不可或缺的措施之一對(duì)外部光刺激做出反應(yīng)的智能微機(jī)械具有廣泛的潛在應(yīng)用。然而,，目前尚無法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)閾值低,、響應(yīng)速度快、可設(shè)計(jì)和精確三維轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)的人工光驅(qū)動(dòng)智能微機(jī)械,。

華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院的Chunsan Deng等人提出了一種單材料和單步4D打印策略,，以實(shí)現(xiàn)具有可編程形狀變形特征的敏捷和低閾值光驅(qū)動(dòng)3D微型機(jī)器的納米制造。相關(guān)研究成果以“Femtosecond Laser 4D Printing of Light-Driven Intelligent Micromachines”為題,，于2023年1月4日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上,。

圖1 單材料單步4D打印方法示意圖

研究人員開發(fā)了一種碳納米管摻雜N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)復(fù)合水凝膠材料(CNNC)用于4D打印。作為一種溫度響應(yīng)型水凝膠,，NIPAM表現(xiàn)出從膨脹,、水化狀態(tài)到收縮、疏水狀態(tài)的可逆低臨界溶液溫度相變,。為了提高NIPAM基水凝膠的整體性能,，研究人員選擇了與NIPAM單體化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的聚苯胺磺酸基化的單壁碳納米管(SWNT)作為摻雜相，開發(fā)了一系列含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SWNT的CNNC復(fù)合水凝膠材料,。摻雜SWNT后,，原始水凝膠前驅(qū)體的透明度發(fā)生了很大變化，即使在暗室中放置兩個(gè)月,，也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性,，沒有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,。

圖2 FsLDW打印結(jié)構(gòu)中SWNT的表征

當(dāng)摻雜0.4 wt.% SWNT s時(shí)，水凝膠樣品的剛度達(dá)到2410 N m−1,，比純NIPAM水凝膠提高了204.6%,。且均勻分布的SWNT使其具有優(yōu)異的吸光性、光熱轉(zhuǎn)換效率和導(dǎo)熱性能,。研究人員通過FsLDW打印空心足球,，在聚焦激光束的刺激下，可快速產(chǎn)生可逆的形狀變形效應(yīng),。相比之下,，沒有摻雜SWNT的純NIPAM水凝膠的足球結(jié)構(gòu)在相同的激光通量下幾乎沒有表現(xiàn)出激光誘導(dǎo)的變形效應(yīng)。

研究人員開發(fā)了由不同結(jié)構(gòu)單元組成的微機(jī)械以實(shí)現(xiàn)各向異性驅(qū)動(dòng),，并驗(yàn)證了其在微納米尺度上的力學(xué)效應(yīng)和特性,。將由一組巴基球(4×4×4μm3)組成的立方體(30×30×30 μm3)和具有相同尺寸的固體立方體作為比較。研究發(fā)現(xiàn),，以弱交聯(lián)CNNC水凝膠為柔性填充芯的剛性巴克球機(jī)械超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)在水環(huán)境下表現(xiàn)出良好的形狀保真度,。而相比之下，由密集堆積的體素構(gòu)成的相同立方結(jié)構(gòu),，即使在水中膨脹后也表現(xiàn)出較小程度的結(jié)構(gòu)變形,。此外，兩種典型立方結(jié)構(gòu)在光刺激下表現(xiàn)出明顯不同的收縮行為,。如圖3c所示,，兩個(gè)立方體的收縮比隨著激光功率的增加而增大，并在激光功率約為70mw時(shí)逐漸趨于飽和,。此外,，在功率為70mw時(shí)，巴克球組裝的立方體的收縮比(58%)比實(shí)心立方體(23%)大2倍以上,，說明在光刺激下,，巴克球組裝的三維立方體結(jié)構(gòu)具有比三維實(shí)心立方體結(jié)構(gòu)更大的動(dòng)態(tài)調(diào)制范圍。

圖3 智能微柱纖毛的4D打印

微柱纖毛是4D打印各向異性驅(qū)動(dòng)微機(jī)械的經(jīng)典模型,。迄今為止,，在單一材料體系中制造出具有較高速度、連續(xù)調(diào)節(jié),、優(yōu)異力輸出能力的各種微柱纖毛對(duì)仿生學(xué)和流體力學(xué)仍具有重要意義,。通過將固體結(jié)構(gòu)和巴克球組裝結(jié)構(gòu)集成在一起，通過FsLDW打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)各向異性微柱纖毛結(jié)構(gòu),，并實(shí)現(xiàn)大尺寸且控制良好的光刺激彎曲驅(qū)動(dòng)(圖3d,e),。如圖3f所示，纖毛瞬間彎曲并以一定角度固定,，直到激光關(guān)閉,。

值得注意的是,，打印后的微柱纖毛結(jié)構(gòu)在脈沖光刺激下表現(xiàn)出穩(wěn)定的光刺激響應(yīng)性和良好的可逆性，在46.5 mW光刺激下,，在15μm處具有較大且穩(wěn)定的珠狀延伸率,。

此外，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有預(yù)定義的45度彎曲微柱,，并將其打印成圓形陣列,，制造了智能微鉗裝置 (圖4c)。

圖4 微柱圓形陣列組成的智能微鉗裝置

當(dāng)打開微夾底座底部的光刺激時(shí),，6根微柱迅速收縮并向結(jié)構(gòu)中心彎曲。

與單個(gè)微柱纖毛相似,，該微鉗的彎曲角度對(duì)光刺激功率有很強(qiáng)的依賴性,。隨著光刺激功率的不斷增大，各微柱的彎曲角度逐漸增大,，微鉗隨之閉合,。當(dāng)激光功率增加到90 mW時(shí)，彎曲角度達(dá)到當(dāng)功率進(jìn)一步增加到110 mW時(shí),，微夾仍然保持在最閉合狀態(tài),，沒有進(jìn)一步收縮。而當(dāng)光刺激功率逐漸降低到90mw以下時(shí),，微夾逐漸打開,，顯示了3D微夾器件具有精確的光刺激變形能力。

圖5 微型人工心臟的打印和功能演示

研究人員還使用FsLDW打印了一個(gè)仿生主動(dòng)脈瓣微結(jié)構(gòu),，如圖5b所示,。主動(dòng)脈瓣的三個(gè)尖部由巴基球單位細(xì)胞和實(shí)心層組成。該瓣膜的兩層結(jié)構(gòu)最初與實(shí)際心臟瓣膜具有相同的預(yù)定義彎曲角度,，以防止液體回流,，三個(gè)血管葉固定在外徑為80μm、內(nèi)徑為60μm的實(shí)心環(huán)形底座上,，同樣由FsLDW打印,。環(huán)形底座固定在玻璃基板上，作為整個(gè)微閥的導(dǎo)熱帶,。在沒有光刺激的情況下,，閥門保持關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)已經(jīng)完全吸收了水并膨脹,。由于智能水凝膠具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和導(dǎo)熱性,，當(dāng)沿環(huán)基任意選擇一點(diǎn)進(jìn)行聚焦激光刺激時(shí)，整個(gè)閥門由于解吸水分而迅速收縮并呈現(xiàn)開啟狀態(tài),。此外,，微型心臟瓣膜流量的連續(xù)可調(diào)是非常重要和必要的,，這就要求微型心臟瓣膜具有調(diào)節(jié)開啟幅度的能力。并且通過光刺激功率來控制半月閥的開啟幅度,。隨著功率的增加,，半月閥的開啟幅度增大，當(dāng)激光功率固定在一定值時(shí),，閥門保持在收縮狀態(tài),，穩(wěn)定性較好。

本文將CNNC水凝膠與非對(duì)稱機(jī)械超材料單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝相結(jié)合,，開發(fā)了一種單材料一步4D打印方法,，用于光驅(qū)動(dòng)3D微機(jī)械的制造。制得的光刺激微機(jī)械具有良好的控制性和可操作性,，在組織工程,、藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211473