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(gòu)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(yīng)性強的材料組分以及可根據(jù)外部刺激響應(yīng)來自發(fā)完成運動的特性，在生物醫(yī)學(xué)工程，光學(xué)系統(tǒng)，微機械系統(tǒng)，化學(xué)分析等領(lǐng)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(shù)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(shè)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(yīng)用于細胞操作、組織切片等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)張永來教授團隊使用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)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(jié)構(gòu)。該器件利用材料內(nèi)部非均勻網(wǎng)格密度設(shè)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(nèi)部材料分布進行調(diào)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(dāng)器件所處的溶劑PH發(fā)生改變時，外側(cè)結(jié)構(gòu)收縮膨脹程度大于內(nèi)側(cè)，彎曲的懸臂向內(nèi)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(yīng)，膨脹抓住微納顆粒

　　為了探索pH響應(yīng)的具體參數(shù)對BSA微結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)。

　　實驗結(jié)果表明，同材料不同掃描步長的非均勻結(jié)構(gòu)具有很大的應(yīng)用潛能。

　　圖2 不同加工步長的 BSA 微結(jié)構(gòu)的 pH 響應(yīng)特性。 (a)三種不同激光掃描步長(100 nm， 150 nm， 200 nm)的BSA方塊結(jié)構(gòu)(15 μm×15 μm×5 μm) 在 pH1. pH5. pH13 溶劑下的光學(xué)顯微鏡照片; (b)三種不同激光掃描步長的 BSA 結(jié)構(gòu)的溶脹率隨 pH 的變化; (c)響應(yīng)時間與膨脹比之間的關(guān)系曲線圖; (d)在 pH13 溶劑下百次循環(huán)刺激響應(yīng)與膨脹比之間的關(guān)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(cè)層的膨脹度大于內(nèi)側(cè)層的，因此產(chǎn)生了內(nèi)外應(yīng)力差，促使懸臂結(jié)構(gòu)總體向內(nèi)彎曲。

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

　　基于以上研究，課題組設(shè)計了一種可以利用外界刺激響應(yīng)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(dāng)浸入pH5溶液時，微機械沒有明顯反應(yīng)且棒狀結(jié)構(gòu)離懸臂有很大空隙。當(dāng)切換為 pH1 溶液時，微機械“手臂"快速“抓住"微納棒;當(dāng)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(diào)控的智能微機械。 (a) pH 溶劑刺激下，微機械響應(yīng)的光學(xué)顯微鏡照片; (b)當(dāng)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(fù)可逆動作的光學(xué)顯微鏡照片。 (c) 微機械雙懸臂距離的響應(yīng)時間曲線; (d)微機械結(jié)構(gòu)的懸臂距離在 pH5 與 pH13 溶液中實現(xiàn) 100 次循環(huán)切換

　　結(jié)論

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

　　參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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