近年來(lái)，軟體微納機(jī)器人由于具有高靈活性、生物兼容性和機(jī)械彈性，在單細(xì)胞操控、靶向藥物輸送和微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，基于智能材料的三維微納結(jié)構(gòu)成型是制備軟體微納機(jī)器人的一種常用方法。然而，現(xiàn)有的軟體材料三維加工技術(shù)通常僅適用于單材料體系。單一軟材料存在各向同性響應(yīng)、自支撐機(jī)械強(qiáng)度低、耐久性和穩(wěn)定性差等問(wèn)題，這成為其未來(lái)應(yīng)用的主要障礙。
自然生物的肌肉骨骼系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)軟硬結(jié)合的微納機(jī)器人提供了靈感。然而，人工肌肉骨骼系統(tǒng)的制造通常需要將兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料以亞微米尺度的分辨率編程組裝成復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)，這在當(dāng)前仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這個(gè)難題，清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來(lái)教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了飛秒激光程序化加工人工肌肉骨骼系統(tǒng)，其中以相對(duì)剛性的光敏聚合物SU-8為骨架結(jié)構(gòu)，以柔軟的pH響應(yīng)牛血清白蛋白(BSA)為智能肌肉。這一思想具體是通過(guò)在微流控芯片的輔助下利用飛秒激光原位加工這兩種光敏材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示展示了一種pH響應(yīng)型蜘蛛微納機(jī)器人制備流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖1. a,飛秒激光可編程制造肌肉骨骼系統(tǒng)示意圖。b、c,微蜘蛛在BSA肌肉集成前后的掃描電鏡圖像。插圖為它們對(duì)應(yīng)的光學(xué)顯微鏡圖像，后者中的藍(lán)色部分表示腿部關(guān)節(jié)處的BSA肌肉。d-f，BSA肌肉和SU-8軀體界面處緊密結(jié)合的局部放大掃描電鏡圖像。
基于肌肉骨骼系統(tǒng)的典型模型，該團(tuán)隊(duì)采用飛秒激光原位加工的策略制作了由BSA肌肉和SU-8骨架組成的肌肉骨骼器件，并對(duì)其動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了測(cè)試。圖2a顯示了手臂肌肉模型。在關(guān)節(jié)處BSA肌肉聚合后，可以觀察到SU-8臂明顯伸直，這是由于BSA的收縮導(dǎo)致。BSA肌肉緊密附著在SU-8骨架上，表明肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的完整性。此外，手臂-肌肉系統(tǒng)在長(zhǎng)期儲(chǔ)存后也表現(xiàn)出較好的耐用性。儲(chǔ)存45天后，該結(jié)構(gòu)幾乎保持了不變的形貌。圖2b和2c顯示了手臂-肌肉系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能。當(dāng)周?chē)h(huán)境的pH值從5切換到13時(shí)，可以觀察到動(dòng)態(tài)折疊和拉直性能。
45天后，手臂肌肉結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與初始態(tài)一致的驅(qū)動(dòng)性能，顯示出良好的穩(wěn)定性。圖2d展示了另一個(gè)模型，蟹爪肌肉系統(tǒng)。它的一對(duì)鉗子由SU-8制成，牛血清白蛋白肌肉在一個(gè)鉗子的連接處與骨架集成在一起。BSA肌肉在pH刺激下的收縮和膨脹可以導(dǎo)致SU-8蟹爪的打開(kāi)和關(guān)閉(圖2e)。實(shí)際上，肌肉骨骼系統(tǒng)并不局限于上述兩種形式。通過(guò)肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，該策略可以直接制作任何所需的3D智能微納機(jī)器人。
圖2. a,手臂肌肉系統(tǒng)；（i）模型；（ii）SU-8骨骼的掃描電鏡圖像；（iii）BSA集成后手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（iv）BSA與SU-8界面的掃描電鏡圖像；（v）儲(chǔ)存45天后手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（vi）儲(chǔ)存45天后手臂肌肉兩種材料界面的掃描電鏡圖像。b、 45天后臂肌pH值的光鏡圖像。c、 手臂肌肉結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)pH響應(yīng)特性。d,蟹爪肌肉系統(tǒng)；（i）SU-8骨骼的光學(xué)顯微鏡圖像和（ii）SEM圖像；（iii）BSA集成后的光學(xué)顯微鏡圖像和（iv）集成BSA后的SEM圖像。e,蟹爪pH驅(qū)動(dòng)的光學(xué)顯微鏡圖像。f,蟹爪4個(gè)周期的動(dòng)態(tài)pH響應(yīng)特性。
為了充分利用開(kāi)發(fā)肌肉骨骼系統(tǒng)模型，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并加工了由SU-8骨骼和BSA肌肉組成的pH驅(qū)動(dòng)的微夾持器(圖3a)。圖3b和圖3c分別展示了BSA集成前后微夾持器的尺寸和結(jié)構(gòu)形態(tài)。在BSA肌肉集成后，由于BSA肌肉的收縮，夾持器打開(kāi)。利用飛秒激光加工的可編程加工能力，通過(guò)改變激光掃描點(diǎn)線面間距，可以進(jìn)一步在納米尺度控制聚合物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這樣，BSA肌肉的彈性和SU-8骨骼的剛度都可以精確調(diào)控。
圖3. a,微夾持器的三維模型。b-c,分別在牛血清白蛋白肌肉集成前后微夾持器掃描電鏡圖像。d,當(dāng)周?chē)芤旱膒H值在5和13之間切換時(shí)，BSA方塊的溶脹率隨激光掃描步長(zhǎng)（50、100、150和200 nm）的依賴關(guān)系。插圖是相應(yīng)的BSA方塊的光學(xué)顯微鏡圖像。e，制作牛血清白蛋白肌肉時(shí)，微夾持器的一個(gè)臂的彎折角度與激光掃描步長(zhǎng)的關(guān)系。f,目標(biāo)物的掃描電鏡圖像(一個(gè)SU-8方塊附著在一個(gè)底座上)。g,使用pH響應(yīng)微夾持器捕捉和釋放SU-8目標(biāo)物的流程示意。h,操縱過(guò)程的截取圖。
實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變pH來(lái)控制夾持器的彎折和展開(kāi)，可以很好地操縱夾持器來(lái)拾取和釋放不同大小的目標(biāo)物體。為了展示這種智能微夾持器的應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)將夾持器集成在玻璃材質(zhì)的懸臂上，然后將其固定在精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，以一個(gè)用微米線固定在襯底上的立方體(邊長(zhǎng)10?mm)作為目標(biāo)對(duì)象(圖3f)。圖3g顯示了操作過(guò)程的示意圖，包括定位、捕獲、轉(zhuǎn)運(yùn)和釋放；圖3h顯示了該過(guò)程在不同時(shí)刻的截圖。當(dāng)夾持器靠近目標(biāo)后，觸發(fā)BSA肌肉的膨脹，目標(biāo)被微夾持器緊緊抓住。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精確控制下，物體可以被運(yùn)送到任意想要的位置。BSA肌肉收縮時(shí)夾持器打開(kāi)，釋放物體。這種智能微夾持器能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)捕獲和釋放，在微小物體靶向操控等前沿應(yīng)用中很有前景。隨著微流體的快速發(fā)展，這種基于肌肉骨骼系統(tǒng)的機(jī)器人可能會(huì)演變?yōu)槠蠙C(jī)器人系統(tǒng)，并在體外細(xì)胞操作、物體搬運(yùn)、精密組裝、設(shè)備集成和微創(chuàng)手術(shù)方面有著巨大的應(yīng)用前景。該工作提出的策略是通用的，并不局限于SU-8和BSA材料組分。可以相信，隨著智能材料的快速發(fā)展，該策略可能會(huì)在由多材料組成的3D微納機(jī)器人的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
以上相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications上(NatCommun?11, 4536 (2020))。論文的第一作者為清華大學(xué)精儀系博士后馬卓晨，通訊作者為清華大學(xué)孫洪波教授和吉林大學(xué)張永來(lái)教授。
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