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智能微納機器人能夠響應(yīng)外部環(huán)境變化發(fā)生自適應(yīng)變形，進而優(yōu)化其運動模式并提升運動效率，在細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。

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

鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實驗室提出了一種基于旋轉(zhuǎn)動態(tài)全息光場的智能微螺旋機器人的高效制備技術(shù)，可以在0.5h內(nèi)加工出上千個微螺旋機器人。該機器人以一種可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)控下微螺旋機器人可以實現(xiàn)自身形貌的智能自適應(yīng)變形，進而在磁場的驅(qū)動下發(fā)生多模態(tài)運動。基于此，研究人員展示了該環(huán)境響應(yīng)性智能螺旋機器人穿越復(fù)雜地形，并實現(xiàn)了藥物的靶向運輸。

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掃描的加工策略，加工效率低。

為了解決這一問題，課題組基于空間光調(diào)制器，利用設(shè)計的計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，通過動態(tài)加載旋轉(zhuǎn)的計算全息圖，生成可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形光場，配合工作臺上下移動，可以實現(xiàn)微螺旋結(jié)構(gòu)的高效制備。

相比于飛秒激光單點直寫加工，該方法可提升制備效率超100倍，加工1000個微螺旋機器人僅需0.5 h。

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

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，基于上述動態(tài)全息加工技術(shù)制備的微螺旋機器人以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，微螺旋機器人可以發(fā)生收縮和膨脹變形，變形后的螺旋機器人在外部旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下展現(xiàn)出不同的運動模態(tài)：收縮滾轉(zhuǎn)運動和膨脹螺旋運動，如圖2所示。微螺旋機器人在收縮滾轉(zhuǎn)運動時，以短軸為旋轉(zhuǎn)軸，快速向前運動；在膨脹螺旋運動時，以長軸為旋轉(zhuǎn)軸，沿著垂直方向運動。

圖2：智能微機器人的自適應(yīng)變形與多模態(tài)運動

課題組基于智能微機器人的自適應(yīng)變形和模態(tài)轉(zhuǎn)換運動，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，微機器人在磁場的驅(qū)動下發(fā)生滾轉(zhuǎn)運動，快速跨越障礙到達目標位置；在收縮狀態(tài)下，微機器人進行螺旋運動，可穿越狹窄的通道。此外，攜帶有抗癌藥物（DOXs）的智能微機器人發(fā)生自適應(yīng)運動從而快速穿越障礙，到達目標位置并釋放藥物，實現(xiàn)了對癌細胞的靶向殺死。

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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