Advanced Science:熔融电纺丝书写技术新应用——制备磁性微型机器人

微型机器人的研发对微型无人飞行器、未知环境检查和探索、微创医疗手术及靶向给药等方面具有重要的意义。目前的微机器人可由超声波、光、热、气泡和磁场驱动。其中磁场驱动的微机器人由于其高度可控,引起了人们更多关注。磁性螺旋、纳米线和胶体多功能马达均被报道。精子模板法、磁控溅射沉积法和自卷曲法也是制备磁性马达常用方法。而新一代马达要求特定的设计以实现预期功能,因而可结构设计的马达制造新策略(例如掠角沉积技术和3D激光打印技术)被提出来。普通用户无法利用该技术实现微机器人的制造。因此,需要一种简单且廉价的技术实现微机器人的设计及制备。

熔融静电纺丝书写技术(MEW)融合了熔体静电纺丝和3D打印技术,相比于与传统的3D打印,MEW可以得到小2个数量级的微米纤维。MEW所制备的产品可作为生物相容性支架,用于细胞培养和组织工程。MEW实现了可编程的静电纺丝,并以批量生产的方式沉积在特定部位,纤维直径和纤维形状均显示出高度的可控性,可在计算机控制下设计复杂的形状或几何形状。在科研中,切片机不仅可产生超薄切片,用于获得光学或电子显微图像,而且还可用于制造微纳米材料,被命名为“切削技术”,可用于制备单独的纳米线或阵列、量子点和聚合物纳米圆筒。将MEW技术与切削技术结合,其中MEW技术可以人工设计微纤维,而切削技术可将所设计的微纤维切成薄片,以批量制备微纳米结构。

哈尔滨工业大学韩晓军课题组、谢晖课题组和奥胡斯大学Menglin Chen课题组提出了使用成本低和方法简单的MEW技术应用于磁性微机器人制造的方法。MEW可以直接将聚己内酯(PCL)融化打印出不对称条状PCL,以此不对称PCL作为模板,制备不对称聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道。而后,将通道填充PCL/Fe3O4混合物,固化后,将改磁性坯料脱模,通过切削技术得到蝌蚪状的磁性微机器人。该微机器人通过无线动态磁场实现了两个独立的运动(推进和滚动),通过磁场的频率、强度和方向可调节该微型机器人的速度和方向,并展现出优异的货物操纵和运输能力。

研究者相信,MEW的使用使得横截面形态可设计的微机器人的构建成为可能。基于坯料的设计及精确微切削过程,该制造过程具有高度可重复性、低成本和批量生产的能力。在成型过程中引入具有不同功能的纳米材料,可将微机器人设计为具有不同功能甚至多功能的仿生微机器人。MEW、微成型和切削技术的联用在制造通用微机器人方面拥有巨大潜力。相关论文在线发表在Advanced Science 。

图1.磁性类蝌蚪微机器人的制造过程示意图。PCL不对称模板(A),聚二甲基硅氧烷(PDMS)不对称通道(B)和PCL/Fe3O4不对称微型机器人(C)的示意性制造工艺。

图2. 聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道和磁性PCL/Fe3O4不对称坯料的表征。(A)以不同打印速度制备的PDMS通道的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像;(B)通道的宽度和深度与打印速度的关系;(C)具有不同形状非对称PDMS通道横截面的SEM图像;(D)通道2的光学显微镜图像;(E)以通道2为模板制备的磁性PCL/Fe3O4不对称坯料的SEM图像。打印速度值标记在每个图像上,单位为mm min-1

图3. 类蝌蚪磁性微机器人的表征和可控制运动。(A)PCL/Fe3O4磁性微机器人SEM图像,附带C,O和Fe元素分布; PCL/Fe3O4磁性微机器人的局部放大SEM图像(B)和EDX光谱分析(C);在滚动(D,E)和推进(G,H)磁场(4 Hz,1.85 mT)下的微机器人的光学显微镜图像和3D示意图;微型机器人在滚动(F)和推进(I)磁场(12 Hz,1.85 mT)下运动的延时显微镜图像。PCL/Fe3O4磁性微机器人在滚动模式(J,K)和推进模式(L,M)下,速度与磁场频率、强度的关系。

图4. 类蝌蚪磁性微机器人在4 Hz和1.85 mT的磁场下运载微球。(A)推进模式下,通过头部进行单个货物操纵;(B)滚动模式下的多货物运输。

相关工作以“Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots”为题,发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202003177)上。哈尔滨工业大学韩晓军教授和丹麦奥胡斯大学Menglin Chen教授为论文共同通讯作者。