給細(xì)胞“送快遞”？中國科學(xué)家打造多功能3D微納機(jī)器人

想象一下，在比頭發(fā)絲還要細(xì)的尺度上，有一雙靈巧的“手”正在忙碌地工作——它能夠精準(zhǔn)地抓取微小顆粒，將其運(yùn)送到指定位置，然后輕柔地釋放。這不是科幻電影中的場景，而是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所科研人員的最新成果。這個僅有40微米大小的3D手型微納機(jī)器人，正在刷新我們對微觀世界操控能力的認(rèn)知。

微觀世界的精密挑戰(zhàn)

在顯微鏡下的世界里，一切都變得不同尋常。水滴變成了汪洋大海，灰塵化作了巨石，而想要在這個尺度上進(jìn)行精密操作，就如同戴著厚重的手套去穿針引線。長期以來，科學(xué)家們一直夢想著能夠在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)如同宏觀世界般靈活自如的操控能力。這不僅僅是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，更關(guān)系到精準(zhǔn)醫(yī)療、靶向藥物遞送、細(xì)胞操控等諸多前沿應(yīng)用領(lǐng)域的突破。

傳統(tǒng)的微納機(jī)器人往往面臨著一個困境：要么功能單一，只能響應(yīng)單一的外部刺激；要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜但難以精確控制。就像一個只會單一動作的機(jī)械臂，雖然能夠完成特定任務(wù)，卻無法應(yīng)對復(fù)雜多變的工作環(huán)境。如何讓微納機(jī)器人既能感知環(huán)境變化，又能精準(zhǔn)執(zhí)行復(fù)雜動作，成為了擺在科研人員面前的一道難題。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所會同北京石油化工學(xué)院，提出了一個創(chuàng)新性的解決方案：通過多材料集成和模塊化設(shè)計(jì)，賦予微納機(jī)器人多重響應(yīng)能力。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)共同打造了這個具有劃時(shí)代意義的微型“快遞員”。

材料的智慧：雙響應(yīng)系統(tǒng)的巧思

這個微納機(jī)器人的獨(dú)特之處，在于它巧妙地整合了兩種不同的智能材料系統(tǒng)。就像人的大腦和肌肉分工協(xié)作，機(jī)器人的頂部和底部分別承擔(dān)著不同的功能。

頂部的pH響應(yīng)模塊，采用了含有2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）的特殊光敏樹脂。這種材料中的叔胺基團(tuán)就像一個靈敏的化學(xué)傳感器，能夠感知周圍環(huán)境的酸堿變化。當(dāng)環(huán)境變酸時(shí)，叔胺基團(tuán)會發(fā)生質(zhì)子化，帶上正電荷，相互之間產(chǎn)生靜電排斥，導(dǎo)致聚合物鏈條舒展開來，吸收更多水分而膨脹。這個過程就像海綿遇水膨脹一樣自然，卻又精確可控。當(dāng)加入堿性溶液中和后，結(jié)構(gòu)又會恢復(fù)原狀，實(shí)現(xiàn)可逆的開合動作。

底部的磁響應(yīng)模塊則采用了另一套材料體系。研究人員首先合成了Fe?O?納米顆粒，并用硅烷偶聯(lián)劑MPS對其表面進(jìn)行修飾，提高了納米顆粒在有機(jī)體系中的分散性和穩(wěn)定性。這些經(jīng)過精心處理的磁性納米顆粒被均勻分散在光敏樹脂中，形成了可以被飛秒激光直接加工的磁性前驅(qū)體。通過局部高功率激光處理，鐵含量可以達(dá)到45.71%的重量百分比，賦予整個微納機(jī)器人強(qiáng)大的磁響應(yīng)能力。

多材料、多模塊自由支撐“手形”微型機(jī)器人的飛秒激光直接寫入制備示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

飛秒激光的精密雕刻

如何在如此微小的尺度上制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能精密的機(jī)器人？答案是飛秒激光直寫技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)就像是一支能在微觀世界作畫的神奇畫筆，通過雙光子聚合原理，可以在三維空間中逐點(diǎn)“繪制”出所需的結(jié)構(gòu)。

整個制備過程分為兩個關(guān)鍵步驟。首先，研究人員將含有DMAEMA的光敏樹脂滴入兩片玻璃片之間的空腔中，然后用780納米波長的飛秒激光按照預(yù)先設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。激光聚焦處的光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)，形成固化的聚合物網(wǎng)絡(luò)。通過精確控制激光的掃描路徑和功率，可以在“手掌”結(jié)構(gòu)的內(nèi)外兩側(cè)形成不同的交聯(lián)密度。內(nèi)側(cè)經(jīng)過重復(fù)掃描，交聯(lián)密度更高，在酸性環(huán)境中膨脹程度較小；外側(cè)交聯(lián)密度較低，膨脹程度更大，從而實(shí)現(xiàn)了“手掌”的自動開合。

第二步是磁驅(qū)動模塊的局部制備。激光焦點(diǎn)調(diào)整到微機(jī)器人的底部，滴加含有磁性納米顆粒的前驅(qū)體，通過快速掃描將大量磁性納米顆粒固定在指定位置。這種局部制備的方法突破了傳統(tǒng)全磁性結(jié)構(gòu)的限制，大大減少了磁性材料的用量，同時(shí)保持了良好的可控性。

微觀世界的靈活舞者

完成制備的手型微納機(jī)器人展現(xiàn)出了令人驚嘆的運(yùn)動能力。在外部磁場的引導(dǎo)下，它可以在溶液中自由游動，平均速度達(dá)到15.6微米每秒。雖然這個速度在宏觀世界看來微不足道，但在微觀尺度上已經(jīng)相當(dāng)可觀——相當(dāng)于它每秒可以移動接近半個身位的距離。

更令人印象深刻的是它的靈活性。通過改變磁場的方向和強(qiáng)度，微納機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)上下左右的平面運(yùn)動，還能夠進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，它甚至可以通過翻滾的方式越過障礙，就像一個訓(xùn)練有素的體操運(yùn)動員。這種三維空間的自由運(yùn)動能力，為其在復(fù)雜微環(huán)境中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

研究人員通過磁滯回線測量證實(shí)，所使用的Fe?O?納米顆粒在室溫下表現(xiàn)出超順磁性，即在沒有外部磁場時(shí)不會保留磁性。這一特性確保了微納機(jī)器人在停止工作時(shí)不會相互吸引聚集，保持了良好的可控性和重復(fù)使用性。

從微粒到細(xì)胞的精準(zhǔn)遞送

這個微型“快遞員”最引人注目的應(yīng)用是對微小物體的精準(zhǔn)操控。研究團(tuán)隊(duì)首先用直徑10微米的聚苯乙烯微球進(jìn)行了測試。整個捕獲、運(yùn)輸和釋放過程就像一場精心編排的舞蹈：當(dāng)微球落入張開的“手掌”中后，滴加酸性溶液（pH=6），“手掌”在5秒內(nèi)迅速閉合，將微球牢牢抓住；隨后在磁場引導(dǎo)下，攜帶著“貨物”的機(jī)器人游向目標(biāo)位置；到達(dá)目的地后，滴加堿性溶液（pH=10），“手掌”重新張開，完成貨物的釋放。

更具挑戰(zhàn)性的是對活細(xì)胞的操控。研究人員選擇了786-O細(xì)胞（人腎透明細(xì)胞癌細(xì)胞）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與被動等待微球落入不同，對細(xì)胞的捕獲需要更加主動的策略。微納機(jī)器人可以在磁場控制下主動接近目標(biāo)細(xì)胞，通過擺動調(diào)整姿態(tài)，然后在合適的時(shí)機(jī)通過pH變化實(shí)現(xiàn)捕獲。令人欣慰的是，經(jīng)過捕獲、運(yùn)輸和釋放的完整操作流程后，細(xì)胞存活率達(dá)到了97.76%，證明了這種操控方式的溫和性和生物相容性。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了生物相容性的系統(tǒng)評估。他們用DMAEMA光敏樹脂制備了90微米×90微米×3微米的立方體結(jié)構(gòu)，用于L929細(xì)胞（小鼠成纖維細(xì)胞）的培養(yǎng)。24小時(shí)后，細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上生長良好，細(xì)胞核和線粒體的熒光染色顯示細(xì)胞保持著健康的生理狀態(tài)，證實(shí)了材料良好的生物相容性。

手形微型機(jī)器人 pH 響應(yīng)模塊（pH-RCM）的表征

(a)、(b) 分別為手形微型機(jī)器人 pH 響應(yīng)模塊在酸性與堿性環(huán)境下的示意圖和光學(xué)圖像。該模塊類似于“手掌”結(jié)構(gòu)，在酸性溶液中閉合，加入堿性溶液后則張開。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

模塊化設(shè)計(jì)的無限可能

這項(xiàng)研究最具創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)之一，是提出了模塊化的設(shè)計(jì)理念。磁驅(qū)動模塊可以被局部制備在任何預(yù)先制作的靜態(tài)微結(jié)構(gòu)上，賦予其運(yùn)動能力。這就像是給靜止的雕塑安裝上了發(fā)動機(jī)，讓它們瞬間獲得了生命力。

研究人員還展示了不同姿態(tài)的手型微納機(jī)器人——側(cè)臥式和直立式，它們都能夠成功捕獲細(xì)胞。這種設(shè)計(jì)的靈活性意味著，未來可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，定制各種形狀和功能的微納機(jī)器人。比如，可以設(shè)計(jì)成鉗子形狀用于夾取，設(shè)計(jì)成籠狀用于包裹，或者設(shè)計(jì)成螺旋形用于鉆進(jìn)狹窄空間等等。

更進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)展望了多個微納機(jī)器人協(xié)同工作的可能性。通過合理調(diào)整磁響應(yīng)模塊的位置和強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)多個機(jī)器人的集體運(yùn)動控制，完成更加復(fù)雜的任務(wù)，如協(xié)同搬運(yùn)大型物體或在不同位置同時(shí)進(jìn)行操作。

微觀操控的美好前景

站在這項(xiàng)突破性成果的基礎(chǔ)上展望未來，我們可以想象出許多激動人心的應(yīng)用場景。在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域，這些微納機(jī)器人可以攜帶藥物直達(dá)病灶，實(shí)現(xiàn)真正的靶向治療；在細(xì)胞工程中，它們可以精確操控單個細(xì)胞，輔助完成細(xì)胞注射、融合等精密操作；在環(huán)境治理方面，大量的微納機(jī)器人可以協(xié)同工作，清除水體中的微塑料污染。

這項(xiàng)研究工作不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重要突破，更為微納機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過巧妙的多材料集成和模塊化設(shè)計(jì)，他們成功地解決了單一材料系統(tǒng)功能受限的問題，為微納機(jī)器人賦予了更強(qiáng)大的環(huán)境感知和執(zhí)行能力。

當(dāng)我們把目光從宏大的宇宙轉(zhuǎn)向微小的世界，會發(fā)現(xiàn)那里同樣充滿了無限的可能。這雙在微觀世界中靈巧工作的“手”，正在為人類打開通向更精密、更智能的未來之門。或許在不久的將來，當(dāng)醫(yī)生需要在你的身體內(nèi)進(jìn)行精密治療時(shí)，這些忠實(shí)的微型“快遞員”就會悄然啟程，完成它們的神圣使命。

參考文獻(xiàn)：

【1】Jian-Miao Zhang et al 2026 Int. J. Extrem. Manuf. 8 015509

出品：科普中國

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

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