3D打印膠體顆粒尺寸微型游泳器

來(lái)源： 江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：研究人員利用3D打印在膠體尺寸范圍內(nèi)生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀的微游泳器。他們通過(guò)兩光子聚合來(lái)建立3D打印的靈活性，以產(chǎn)生小于10微米的顆粒，并具有高度的形狀復(fù)雜性。

游泳是很多生物普遍都會(huì)的一項(xiàng)技能。大個(gè)頭的動(dòng)物，比如鯨或人類，一般是通過(guò)把向后的動(dòng)量傳遞給流體，由于動(dòng)量守恒而向前游動(dòng)。同樣的游泳策略甚至對(duì)相對(duì)小型的動(dòng)物也適用，比如魚和蝌蚪。

自從進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家和工程師已經(jīng)開始研發(fā)模擬自然微型游泳者的人造物。人造微型游泳器是膠體顆粒，大小與細(xì)菌相當(dāng)，一般是1~10微米，能在液體中自我推進(jìn)。自然界的微型游泳者是通過(guò)驅(qū)動(dòng)附屬物如纖毛或鞭毛來(lái)游動(dòng)的，但是人造微型游泳器通常沒有運(yùn)動(dòng)部件，而是通過(guò)自身與環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力。人們將膠體顆粒設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行復(fù)雜的行為和任務(wù)。

合成膠體微游泳器（也稱為膠體顆粒）可以用作模型系統(tǒng)，對(duì)各向異性游泳器的理論和數(shù)值研究預(yù)測(cè)并獲得對(duì)生物微游泳器運(yùn)動(dòng)的定量見解。通過(guò)將局部環(huán)境中可用的能量轉(zhuǎn)換為定向運(yùn)動(dòng)，它們以低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)（在微尺度下流體的運(yùn)動(dòng)為低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)。這是通過(guò)利用固有的不對(duì)稱性（最常見的是催化過(guò)氧化氫分解的各向異性鉑斑）引入微泳器的材料特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)形狀因子行為的系統(tǒng)研究需要一種可靠的方法來(lái)合成具有各種復(fù)雜形狀的粒子。目前，絕大多數(shù)的合成微泳器都是通過(guò)化學(xué)或蒸發(fā)技術(shù)合成的。這些方法盡管具有優(yōu)勢(shì)，但在形狀可用性方面也有局限性，它將研究局限于球形或棒狀膠體。考慮到實(shí)現(xiàn)其他類型運(yùn)動(dòng)的多種可能性，與球形相關(guān)的直線軌跡是一種例外情況。

一種有望克服這一限制的的技術(shù)是雙光子聚合（2PP）。在這里，研究人員利用3D打印在膠體尺寸范圍內(nèi)生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀的微游泳器。他們通過(guò)兩光子聚合來(lái)建立3D打印的靈活性，以產(chǎn)生小于10微米的顆粒，并具有高度的形狀復(fù)雜性。2PP已被確立為3D打印微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具，在形狀和對(duì)稱性方面具有很大的靈活性，并允許形成亞微米分辨率的結(jié)構(gòu)。此外，除了復(fù)雜的形狀多樣性外，由于用戶可以決定粒子如何相對(duì)于其在其上印刷的基材取向，因此3D打印還可以在活性貼劑位置方面提供自由，從而可以在濺射涂覆過(guò)程中決定活性貼劑的位置，從而最終可以對(duì)所得的活性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行額外控制。

盡管活性物質(zhì)和3D微型打印領(lǐng)域都已完全確立，但這兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合幾乎未觸及。2PP產(chǎn)生具有多種幾何形狀的微粉的潛力巨大，可生產(chǎn)出幾乎任何所需形狀的顆粒，如下圖1。迄今為止，結(jié)合了3D微打印和活性物質(zhì)的現(xiàn)有研究都集中于打印大于10微米或形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的活性顆粒，其中包括3D打印的切片機(jī)，子彈形粒子以及尾部呈鋸齒狀的粒子。除了這些使用局部燃料驅(qū)動(dòng)的研究以外，其他研究還產(chǎn)生了由外部磁場(chǎng)推動(dòng)的螺旋形游泳器。然而，在許多需要粒子自身自主運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中，外部推動(dòng)的使用是不實(shí)際的。

圖1. 通過(guò)雙光子聚合獲得的各種3D打印的顆粒形狀的SEM圖像。

▲（a）尖球形，（b）星際飛船，（c）螺旋形，（d）螺旋形，（e）三聚體和（f）3D鉗形船。

粒子制造
通過(guò)圖2中總結(jié)的方法制備3D打印的活性顆粒。使用2PP的商用3D微型打印機(jī)（Photonic Professional GT，Nanoscribe GmbH）配備有63x油浸物鏡（Zeiss，NA = 1.4），并使用在浸入模式下打印3D結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)是在Autodesk Inventor中設(shè)計(jì)的，并由Describe處理。使用商購(gòu)的光致抗蝕劑IP-Dip，將大陣列的顆粒印刷到用異丙醇清潔的熔融石英基材上。選擇光致抗蝕劑，基板和透鏡的這種組合以提供盡可能高的可用分辨率。每單位面積可打印的顆粒數(shù)量?jī)H受顆粒尺寸的限制，因?yàn)橛脩艨梢詻Q定每個(gè)顆粒在基材上的放置位置。當(dāng)前，許多組織正在解決放大問題，例如，利用飛秒投影方法和3D光干涉技術(shù)。

▲用于制備3D打印膠體微錐的方法示意圖。

（a）粒子設(shè)計(jì)的CAD圖，（b）浸沒模式下的雙光聚合裝置，其中物鏡浸沒在光致抗蝕劑中，（c）顯影 后3D印刷粒子陣列的掃描電鏡圖像，（d）用鉑/鈀濺射涂層，（e）通過(guò)超聲波處理將粒子從水中的基底上分離，（f）在過(guò)氧化氫溶液中的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

未來(lái)，3D打印膠體顆�？梢员辉O(shè)計(jì)成能夠執(zhí)行復(fù)雜行為和任務(wù)的游泳器，所以，研究人員在積極研究其各種重要的實(shí)際應(yīng)用，從水處理到輸送藥物等。正如在1966年的科幻電影《神奇旅程》李描繪的一樣，一群科學(xué)家把自己和潛水艇縮小到細(xì)胞那么小，從而能夠進(jìn)入到一位同事的血管中，清除他的腦血栓。

圖片來(lái)源于世界科學(xué)

本文來(lái)源：Rachel P. Doherty et al. Catalytically propelled 3D printed colloidal microswimmers, Soft Matter (2020). DOI: 10.1039/D0SM01320J