近年來，智能執(zhí)行器件取得了突破性的進展。與由剛性材料構成的傳統(tǒng)執(zhí)行器件相比，智能軟體執(zhí)行器憑借其柔軟和自適應性強的材料組分以及可根據(jù)外部刺激響應來自發(fā)完成運動的特性，在生物醫(yī)學工程，光學系統(tǒng)，微機械系統(tǒng)，化學分析等領域擁有無限廣闊的前景。

　　而隨著人們對小型化、便攜化和智能化產(chǎn)品的需求日益增大，微納加工技術與新型材料的研究也取得了長足進步。其中飛秒激光雙光子聚合直寫具有高自由度可編程設計能力、強大的三維處理能力和高空間分辨率等優(yōu)點，在三維微納器件制造方面有著極大優(yōu)勢。

　　與此同時，如何利用生物相容性材料制備微納器件，并將其直接應用于細胞操作、組織切片等生物醫(yī)學領域，這對于開發(fā)諸如智能微型機器人和微機械系統(tǒng)等研究具有重要意義。

　　創(chuàng)新研究

　　針對上述需求，吉林大學張永來教授團隊使用飛秒激光雙光子聚合技術制備了基于生物相容性好的牛血清白蛋白(BSA)材料的三維微機械結構。該器件利用材料內部非均勻網(wǎng)格密度設計，通過飛秒激光三維加工，實現(xiàn)了微納器件外部輪廓的三維直寫，同時對器件內部材料分布進行調控，使之具有各向異性。

　　圖1為智能微納器件示意圖。如圖所示，微機械懸臂兩層的交聯(lián)密度不同，當器件所處的溶劑PH發(fā)生改變時，外側結構收縮膨脹程度大于內側，彎曲的懸臂向內進行抓捕動作或向外完成釋放動作，實現(xiàn)自由智能的機械動作行為。

　　圖1 智能微納器件示意圖。(a)pH溶劑刺激前智能微機械的原位狀態(tài);(b)智能微機械受pH溶劑刺激響應，膨脹抓住微納顆粒

　　為了探索pH響應的具體參數(shù)對BSA微結構在酸堿環(huán)境下膨脹度的影響，實驗利用飛秒激光直寫技術在玻璃襯底上加工了長寬高分別為15 μm、15 μm、5 μm，激光掃描步長分別為100 nm、150 nm和200 nm的三種正方形方塊結構。

　　實驗結果表明，同材料不同掃描步長的非均勻結構具有很大的應用潛能。

　　圖2 不同加工步長的 BSA 微結構的 pH 響應特性。 (a)三種不同激光掃描步長(100 nm， 150 nm， 200 nm)的BSA方塊結構(15 μm×15 μm×5 μm) 在 pH1. pH5. pH13 溶劑下的光學顯微鏡照片; (b)三種不同激光掃描步長的 BSA 結構的溶脹率隨 pH 的變化; (c)響應時間與膨脹比之間的關系曲線圖; (d)在 pH13 溶劑下百次循環(huán)刺激響應與膨脹比之間的關系圖

　　圖3為一款不同掃描步長的非均勻雙層微納懸臂。在外界酸堿溶液的刺激下，外側層的膨脹度大于內側層的，因此產(chǎn)生了內外應力差，促使懸臂結構總體向內彎曲。

　　圖3 基于 BSA 雙層微懸臂的動態(tài)響應。 (a) BSA 雙層不同掃描步長的懸臂結構的 3DMAX 模型圖; (b)在等電位點與 pH13 溶劑刺激相應下，懸臂彎曲角度與雙層掃描步長的變化關系圖

　　基于以上研究，課題組設計了一種可以利用外界刺激響應完成“抓捕”和“釋放”功能的生物相容性材料微機械。如圖4所示，當浸入pH5溶液時，微機械沒有明顯反應且棒狀結構離懸臂有很大空隙。當切換為 pH1 溶液時，微機械“手臂”快速“抓住”微納棒;當切換為 pH13 溶液時，微機械“手臂”膨脹度更大，緊緊“抓住”微納棒;而再次切換到 pH5 溶液時，可快速完成“釋放”動作。

　　圖 4 pH 調控的智能微機械。 (a) pH 溶劑刺激下，微機械響應的光學顯微鏡照片; (b)當周圍溶液的 pH 值在1. 5 和 13 之間切換時，智能微機械完成“抓住”，“釋放”，“緊抓”物體的反復可逆動作的光學顯微鏡照片。 (c) 微機械雙懸臂距離的響應時間曲線; (d)微機械結構的懸臂距離在 pH5 與 pH13 溶液中實現(xiàn) 100 次循環(huán)切換

　　結論

　　在先進的激光集成技術的幫助下，這種采用生物相容性好的蛋白質材料所制作的智能微機械在未來的生物醫(yī)學檢測、微細胞分析和仿生學等應用中將發(fā)揮越來越重要的作用。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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