3D打印膠體顆粒尺寸微型游泳器

來源： 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。他們通過兩光子聚合來建立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的一項技能。大個頭的動物，比如鯨或人類，一般是通過把向后的動量傳遞給流體，由于動量守恒而向前游動。同樣的游泳策略甚至對相對小型的動物也適用，比如魚和蝌蚪。

自從進入21世紀，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，大小與細菌相當(dāng)，一般是1~10微米，能在液體中自我推進。自然界的微型游泳者是通過驅(qū)動附屬物如纖毛或鞭毛來游動的，但是人造微型游泳器通常沒有運動部件，而是通過自身與環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生推進力。人們將膠體顆粒設(shè)計成可以進行復(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)，對各向異性游泳器的理論和數(shù)值研究預(yù)測并獲得對生物微游泳器運動的定量見解。通過將局部環(huán)境中可用的能量轉(zhuǎn)換為定向運動，它們以低雷諾數(shù)運動（在微尺度下流體的運動為低雷諾數(shù)運動）進行自驅(qū)動。這是通過利用固有的不對稱性（最常見的是催化過氧化氫分解的各向異性鉑斑）引入微泳器的材料特性來實現(xiàn)的。

對形狀因子行為的系統(tǒng)研究需要一種可靠的方法來合成具有各種復(fù)雜形狀的粒子。目前，絕大多數(shù)的合成微泳器都是通過化學(xué)或蒸發(fā)技術(shù)合成的。這些方法盡管具有優(yōu)勢，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。考慮到實現(xiàn)其他類型運動的多種可能性，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。他們通過兩光子聚合來建立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)的強大工具，在形狀和對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程中決定活性貼劑的位置，從而最終可以對所得的活性運動進行額外控制。

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微米或形狀相對簡單的活性顆粒，其中包括3D打印的切片機，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)動的研究以外，其他研究還產(chǎn)生了由外部磁場推動的螺旋形游泳器。然而，在許多需要粒子自身自主運動的應(yīng)用中，外部推動的使用是不實際的。

圖1. 通過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（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)計的，并由Describe處理。使用商購的光致抗蝕劑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)量僅受顆粒尺寸的限制，因為用戶可以決定每個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）通過超聲波處理將粒子從水中的基底上分離，（f）在過氧化氫溶液中的主動運動。

未來，3D打印膠體顆�？梢员辉O(shè)計成能夠執(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胞那么小，從而能夠進入到一位同事的血管中，清除他的腦血栓。

圖片來源于世界科學(xué)

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