Adv. Mater：新型循環(huán)立體光固化3D打印技術(shù)助力微型磁性軟體機(jī)器人

來(lái)源：YiZ 微納分子診斷實(shí)驗(yàn)室

微型軟體機(jī)器人可以主動(dòng)改變自身的形狀以實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)動(dòng)和操作,因而十分擅長(zhǎng)在小尺寸且空間受限的環(huán)境中工作，這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將使得他們被廣泛地運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。磁驅(qū)動(dòng)是目前控制軟體機(jī)器人最流行的方法之一，因?yàn)榇膨?qū)動(dòng)具備可以遠(yuǎn)程無(wú)線控制、響應(yīng)快速且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。然而由于制造技術(shù)受限，目前大多數(shù)磁性軟體機(jī)器人是由翻模鑄造，通常需要繁瑣及耗時(shí)的制作步驟且局限于2D結(jié)構(gòu)，因而功能簡(jiǎn)單且單一。

3D打印技術(shù)為打破這種局限提供了可能。立體光固化3D打印技術(shù)（Vat Photopolyerization，簡(jiǎn)稱VP）具有高精度、高分辨率、快速成型等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)立體光固化技術(shù)，3D打印添加了磁性顆粒填料的彈性樹脂，可以實(shí)現(xiàn)微型磁性軟體機(jī)器人的快速整體成型。然而在普通的立體光固化平臺(tái)上，如果使用納米尺度的磁性顆粒填料，磁性顆粒會(huì)對(duì)樹脂基質(zhì)的光吸收造成很大的干擾。如果使用粒徑較大的微米尺度磁性顆粒填料，雖然對(duì)光吸收干擾較小，但是磁性顆粒會(huì)快速沉降到容器底部，這將導(dǎo)致磁性填料在打印部件中的分布不均勻，甚至導(dǎo)致打印無(wú)法完成。因此，大多數(shù)前期研究只使用納米磁性顆粒作為磁性填料，同時(shí)保持較低的載量（<1%) 來(lái)確保磁性復(fù)合材料能夠成型，然而此類材料打印的微型機(jī)器人不能產(chǎn)生大的磁力用以驅(qū)動(dòng)微型結(jié)構(gòu)的形變，這些機(jī)器人大多只能實(shí)現(xiàn)剛性移動(dòng)，通常也需要在液體環(huán)境中，利用液體的潤(rùn)滑特性與浮力來(lái)減少運(yùn)動(dòng)的阻力。

本文提出了一種新型的循環(huán)立體光固化3D打印技術(shù)（Circulating Vat Photopolymerization, 簡(jiǎn)稱CVP)來(lái)解決上述問(wèn)題。CVP在普通立體光固化平臺(tái)中整合了一套樹脂循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在打印過(guò)程中能不斷地對(duì)磁性復(fù)合材料進(jìn)行混合，從而保證顆粒在樹脂中的均勻分布。本文發(fā)現(xiàn)并解釋了磁性顆粒的材料和尺寸對(duì)光固化3D打印過(guò)程的影響，論證了鍶鐵氧體（SrFe12O19）磁性顆粒作為磁性填料的優(yōu)越性，其作為磁性填料在磁性樹脂中載量可高達(dá)30%。通過(guò)使用CVP，本文展示了各種一次成型的栓系和非栓系微型磁性軟體機(jī)器人以及其通過(guò)3D形變操縱液滴的能力。通過(guò)合理的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)不同的磁性軟體機(jī)器人通力合作，成功地展示了針對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性的檢測(cè)，這是目前其他類型的磁性微型軟體機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)的。

CVP的復(fù)合樹脂循環(huán)系統(tǒng)由特制的樹脂槽、循環(huán)泵、渦旋攪拌器以及連接用的軟管組成（圖1a），在打印的過(guò)程中，循環(huán)泵不斷地將樹脂槽底部的磁性復(fù)合樹脂送入到渦旋攪拌器中，攪拌混合后得到的磁性復(fù)合樹脂再次被送入樹脂槽中，從而確�；旌衔锏木�質(zhì)性。CVP所打印的樣品在打印方向上沒有顯示出明顯的顏色變化，非常清晰地表明磁性顆粒填料的均勻分布。與CVP相反，VP的樣品隨著打印的進(jìn)行，顏色逐漸變淡直至透明；這正是因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中顆粒沉淀所導(dǎo)致的（圖1b）。樣品的多個(gè)橫截面示意圖也表明，磁性復(fù)合樹脂的流動(dòng)未對(duì)磁性顆粒填料的分布和打印過(guò)程造成影響（圖1b）。同時(shí)，與VP樣品相比，CVP樣品中的密度分布（圖1c）相對(duì)一致，鐵（Fe）、鍶（Sr）元素的分布鋪滿整個(gè)可視區(qū)域、沒有明顯的空洞（圖1d），這些進(jìn)一步表明CVP能有效地保持復(fù)合材料的高勻質(zhì)度。

圖1：循環(huán)立體光固化（CVP）3D打印技術(shù)：a) 樹脂循環(huán)系統(tǒng)示意圖；b) 普通循環(huán)立體光固化（VP）與CVP打印的樣品對(duì)比，Bottom代表這部分首先打印，Top代表這部分最后打�。籭ii & iv 分別是i & ii 中虛線部分的橫截面；c) b 中樣品不同部位的密度對(duì)比；d) b中樣品Bottom 和 Top 部位中鐵元素（Fe）和鍶元素（Sr）的分布對(duì)比。

磁性顆粒填料的沉降效應(yīng)與對(duì)光子的吸收率極大地限制了目前普通光固化打印磁性復(fù)合材料的能力。顆粒填料對(duì)光子的吸收使得樹脂不能得到足夠的能量進(jìn)行固化，顆粒的沉降則會(huì)導(dǎo)致磁性顆粒填料在復(fù)合材料中的分布不均。本文研究了三種常用的磁性顆粒填料–氧化鐵（Fe3O4）、銣鐵硼（NdFeB）、鍶鐵氧體（SrFe12O19） –對(duì)打印過(guò)程的影響。這三種填料的吸收光譜圖顯示（圖2a）在相同載量及相似尺寸的情況下，鍶鐵氧體對(duì)光子的吸收能力最弱，因而鍶鐵氧體可以在磁性復(fù)合樹脂中保持高的載量。磁性顆粒的大小也至關(guān)重要，光子的吸收能力會(huì)隨著顆粒的粒徑的增大而減�。▓D2b）。然而，粒徑并不是越大越有利，越大的粒徑沉降速度也會(huì)越快（圖2c）。綜合光吸收與沉降特性，3-6微米的鍶鐵氧體磁性顆粒因其對(duì)光子比較弱的吸收能力與適中的沉降速率，被選作為最適合用來(lái)打印磁性復(fù)合材料的填料。樹脂中添加填料不可避免的會(huì)對(duì)樹脂的流變特性產(chǎn)生影響，隨著填料載量的增加，磁性復(fù)合樹脂表現(xiàn)出明顯的剪切稀化現(xiàn)象（圖2d、圖2e），然而這種影響非常小，并不會(huì)影響CVP的打印流程。CVP打印的復(fù)合材料隨著填料載量的增加機(jī)械強(qiáng)度逐漸減少，相應(yīng)的楊氏模量也逐漸減�。▓D2f、圖2g）；這是由于CVP中的磁性填料并未與樹脂產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，磁性填料只是空間上被限制在樹脂形成的網(wǎng)格中，被磁性填料占據(jù)的空間降低了樹脂之間的連接，從而降低了機(jī)械強(qiáng)度。這一特性有利于磁性軟體機(jī)器人的制造。磁性填料的增加同時(shí)使得磁性復(fù)合材料具備可以被永久磁化的特性，各種載量的磁滯回線也顯示（圖2h）隨著載量的增加CVP的磁性復(fù)合材料展現(xiàn)出越來(lái)越高的剩余磁化強(qiáng)度，所以該材料為硬磁材料。CVP是基于傳統(tǒng)的光固化打印技術(shù)，因而可以非�？焖俚�、靈活地部署在現(xiàn)有的商業(yè)打印機(jī)中，并且不會(huì)影響打印機(jī)的精度，可以用來(lái)打印非常復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)且可以在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生所需的形變（圖2 i~k）。本文所展現(xiàn)的3D打印磁性復(fù)合材料展現(xiàn)出非常良好的彈性與磁化特性，打印的結(jié)構(gòu)本身就可以被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，因而非常適合用來(lái)制作磁性微型軟體機(jī)器人。

圖2：CVP的特性分析: a) 相近尺寸的鍶鐵氧體（SrFe12O19）、氧化鐵（Fe3O4）和銣鐵硼（NdFeB）顆粒的吸收光譜；b)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒的吸收光譜；c)不同尺寸鍶鐵氧體（SrFe12O19）顆粒在樹脂中的下降速率；d)復(fù)合樹脂在不同剪切速率下的粘度;e)600~900 s-1的平均剪切速率；f)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的應(yīng)力應(yīng)變圖；g)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的楊氏模量；h)不同磁性顆粒含量樣品（CVP）的磁滯回線；i-k) CVP打印的微型結(jié)構(gòu)；k) 磁性彈簧的線徑為300微米，外徑為900微米。

本文演示了由CVP制造的幾類設(shè)計(jì)用于液滴操縱的栓系和非栓系微型磁性軟體機(jī)器人。所展示的機(jī)器人均一次整體成型且磁性顆粒載量高(15%)，單個(gè)的打印時(shí)間在5~30分鐘左右，除了移除打印過(guò)程中的支撐結(jié)構(gòu)，均不需要額外的粘接、切割等組裝步驟。在適當(dāng)?shù)耐獠看艌?chǎng)驅(qū)動(dòng)下，不僅可以實(shí)現(xiàn)剛性移動(dòng)，還可以完成可逆形變，實(shí)現(xiàn)4D打�。�即可變3D打印）。

微型磁性軟體機(jī)械爪的爪子部分與基座為懸臂梁結(jié)構(gòu)（圖3a），當(dāng)磁鐵靠近機(jī)械爪底部的時(shí)候，爪子被拉向靠近磁鐵，此時(shí)爪子張開；當(dāng)磁鐵被移走時(shí)，爪子自身的彈性將使爪子復(fù)位，此時(shí)爪子處于關(guān)閉狀態(tài)。傳統(tǒng)的機(jī)械爪是用來(lái)抓取固體物品，然而當(dāng)本文的機(jī)械爪表面覆蓋上一層超疏水涂層時(shí)，機(jī)械爪不僅可以用來(lái)抓取固體物品（圖3d），更重要的是可以用來(lái)抓取液滴（圖3b）。此外，該機(jī)械爪還可以用來(lái)融合liquid marble. Liquid marble 是在液滴的表面覆蓋了一層由超疏水顆粒形成的膜，由于這層膜的存在，使得liquid marble之間的融合非常困難。目前的做法是將兩個(gè)liquid marble以一定的角度高速碰撞，這種方法非常不容易控制，liquid marble經(jīng)�；ハ鄰楅_；另一種方法是使用高壓，利用電荷的相互吸引促使liquid marble的融合，但是這需要上千伏的電壓，容易引起安全事故。本文的機(jī)械爪可以同時(shí)抓起兩個(gè)liquid marble，通過(guò)擠壓的方式將其融合（圖3c），非常的簡(jiǎn)單高效。該機(jī)械爪的最大開合角度為35°，開合速度為8.4°/s，每個(gè)爪子可以提供約4.7mN的力，可以抓起3~50微升的液滴和0.958g的固體物品，并在1萬(wàn)次開合后仍能正常工作。

圖3：磁性軟體機(jī)械爪：a）機(jī)械爪的工作原理；b）機(jī)械爪抓取并移動(dòng)液滴；c)機(jī)械爪同時(shí)抓起兩個(gè)marble,通過(guò)擠壓使之融合；d）機(jī)械爪抓取普通的物體。

微型磁性軟體毛毛蟲和木馬機(jī)器人有著相同的運(yùn)動(dòng)原理。以毛毛蟲機(jī)器人為例（圖4c），當(dāng)磁鐵靠近毛毛蟲的底部時(shí)，會(huì)施加一個(gè)指向磁鐵方向的強(qiáng)磁力FT，F(xiàn)T水平方向的分力將尾巴拉向頭部使得彈簧結(jié)構(gòu)壓縮，同時(shí)，頭部因?yàn)榇怪狈较虻膹?qiáng)磁力而產(chǎn)生足夠大的靜摩擦力使得頭部保持不動(dòng)；當(dāng)磁鐵被快速移除時(shí)，彈簧結(jié)構(gòu)開始釋放彈性勢(shì)能，頭部與尾巴同時(shí)受到彈簧的推力，由于尾巴比頭部大，質(zhì)量與接觸面積更大，最大靜摩擦力也更大，所以尾巴保持不動(dòng)，彈簧的推力克服頭部的最大靜摩擦力使其向前移動(dòng)。通過(guò)不斷重復(fù)上述步驟可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前移動(dòng)。這兩個(gè)機(jī)器人的表面也被覆蓋了一層超疏水涂層，使得他們可以被用于在指定的路徑上推動(dòng)液滴前進(jìn)。毛毛蟲機(jī)器人只可以推動(dòng)一個(gè)液滴（圖4d），而木馬機(jī)器人可以同時(shí)推動(dòng)兩個(gè)液滴，磁鐵的接近與遠(yuǎn)離可以分別使得木馬的后腿與前腿踢動(dòng)一次液滴。如果毛毛蟲機(jī)器人的尾部被固定住，還可以用來(lái)以6.6m/s的速度將液滴彈射出去（圖4e）。毛毛蟲機(jī)器人的平均步幅為2.86mm（20.4% 的自身長(zhǎng)度，圖4g），木馬機(jī)器人的平均步幅為2.81mm （28.1%的自身長(zhǎng)度，圖4h），其他方法制備的磁性軟體機(jī)器人的步幅大約處于15~29%的自身長(zhǎng)度，相比之下，毛毛蟲和木馬機(jī)器人是非常有優(yōu)勢(shì)的。盡管毛毛蟲的尾部與木馬機(jī)器人的后腿會(huì)有輕微的后退現(xiàn)象，但這并不影響整體的前進(jìn)動(dòng)作。

與上述介紹的機(jī)器人不同，微型磁性軟體水母機(jī)器人（圖4i）充分利用了鍶鐵氧體可被永久磁化的特性。打印完成后，水母機(jī)器人被定制的夾具固定住，然后放入1.1T的均勻磁場(chǎng)中在特定的方向上磁化。水母機(jī)器人是被一個(gè)由9個(gè)電磁鐵所組成的均勻磁場(chǎng)所控制的，20 mT的垂直向上磁場(chǎng)會(huì)使水母機(jī)器人的觸手向上運(yùn)動(dòng)，-8mT的垂直向下磁場(chǎng)會(huì)使觸手向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這兩種磁場(chǎng)以5Hz的頻率交替出現(xiàn)時(shí)，中空的水母機(jī)器人所受到的浮力和觸手運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的推力共同作用使得水母機(jī)器人以4.8mm/s的速度向上游動(dòng)。本文同時(shí)還展示了另外兩個(gè)可在水中以剛性運(yùn)動(dòng)前進(jìn)的微型機(jī)器人：魚形機(jī)器人與螺旋機(jī)器人（圖5）。魚形機(jī)器人也是由上下震蕩的磁場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)，它的整個(gè)身體在水中上下拍打類似于魚類的游動(dòng)，從而產(chǎn)生推力。螺旋機(jī)器人則由一個(gè)垂直于前進(jìn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其不斷旋轉(zhuǎn)，用來(lái)將液體推向后方，從而推動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)。

圖4：非栓系磁性微型機(jī)器人：a）毛毛蟲機(jī)器人 ；b）木馬機(jī)器人；c）毛毛蟲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理；d）毛毛蟲機(jī)器人推動(dòng)一個(gè)液滴；e) 毛毛蟲機(jī)器人將一個(gè)液滴射向另一個(gè)液滴，使之融合；f) 木馬機(jī)器人同時(shí)推動(dòng)兩個(gè)液滴；g)毛毛蟲機(jī)器人的步幅；h)木馬機(jī)器人的步幅；i）水母機(jī)器人以及它的磁化方向；j) 水母機(jī)器人在水里向上游動(dòng)。

圖5：水下磁性微型機(jī)器人：a）螺旋機(jī)器人的磁化方向以及其沿著方形路徑的移動(dòng)；b) 小魚機(jī)器人的磁化方向以及其沿著Z路徑的移動(dòng)。

磁性微型軟體機(jī)器人對(duì)液滴的靈活操作能力非常適用于磁性數(shù)字微流體平臺(tái)，傳統(tǒng)的磁性數(shù)字微流體平臺(tái)依賴于在液滴中加入磁性顆粒，液滴只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而微型機(jī)器人可以輕易地讓液滴在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，有利于促進(jìn)磁性數(shù)字微流體平臺(tái)的發(fā)展。作為這種潛力的有力證明，本文的作者設(shè)計(jì)并制造了磁性軟體機(jī)器人自動(dòng)化控制平臺(tái)并且成功實(shí)現(xiàn)對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性的檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程全程自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)，最大程度上保證了操作人員的安全與減少樣品的污染。該平臺(tái)主要由一個(gè)工具箱，一個(gè)超疏水反應(yīng)臺(tái)和一個(gè)機(jī)械臂組成（圖6a）。工具箱包含生物檢測(cè)所需要的基本工具，反應(yīng)臺(tái)是液滴進(jìn)行各種操作的平臺(tái)，機(jī)械臂可以自動(dòng)選擇每個(gè)步驟需要的工具并進(jìn)行試劑的分發(fā)、樣品的添加以及液滴的移動(dòng)與融合等功能。機(jī)械臂首先控制機(jī)械爪從微流體液滴生成器的出口處抓取并將反應(yīng)緩沖液滴和樣品緩沖液滴放置在反應(yīng)臺(tái)上的指定位置（圖6bi~iv），右側(cè)的反應(yīng)緩沖液滴包含亞胺培南（一種碳青霉烯類抗生素藥物），左側(cè)的則不包含作為控制對(duì)照組；機(jī)械臂接著選擇樣品添加工具將細(xì)菌從培養(yǎng)基中添加入兩個(gè)樣品緩沖液滴中并且上下震動(dòng)使細(xì)菌充分融入液滴中（圖6bv~vi）；然后機(jī)械臂選擇機(jī)器人放置工具將毛毛蟲機(jī)器人放在反應(yīng)臺(tái)上指定位置（圖6bvii~ix），機(jī)械臂再次選擇機(jī)器人驅(qū)動(dòng)工具來(lái)控制毛毛蟲機(jī)器人推動(dòng)兩個(gè)液滴進(jìn)行融合（圖6bx），待液滴融合之后，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)工具還可以用來(lái)將使用過(guò)的機(jī)器人丟棄到指定位置（圖6bxi~xii）；剩下的兩個(gè)液滴則由另一個(gè)毛毛蟲機(jī)器人在相同的操作下融合；融合的過(guò)程中，機(jī)械臂會(huì)選擇混合工具在液滴中進(jìn)行攪拌使之充分融合（圖6bxiii）；最后機(jī)械臂將用一個(gè)蓋子罩住液滴減少液滴的蒸發(fā)，液滴將充分反應(yīng)1個(gè)小時(shí)（圖6bxiv~xvi）。如果該細(xì)菌是有耐藥性，則它將水解亞胺培南，反應(yīng)緩沖液滴從紅色變?yōu)辄S色。與之相反，反應(yīng)緩沖液滴保持紅色則表明該細(xì)菌沒有耐藥性。本文一共測(cè)試了8種細(xì)菌，反應(yīng)結(jié)果被映射到CIE 1931色彩空間（圖6c）作為定量分析，其非常清晰地表明與目前成熟的方法所獲得的結(jié)果相一致（圖6d）。

圖6：可進(jìn)行體外診斷的磁性微型軟體機(jī)器人自動(dòng)化控制平臺(tái)：a）自動(dòng)化控制平臺(tái)示意圖；b）在平臺(tái)上對(duì)碳青霉烯類抗生素耐藥性進(jìn)行檢測(cè)的操作程序：i-ii：放置反應(yīng)緩沖液滴；iii-iv：放置樣品緩沖液滴；v：從培養(yǎng)基上提取細(xì)菌；vi：將細(xì)菌放入樣品緩沖液的液滴中；vii-ix：放置毛毛蟲機(jī)器人于反應(yīng)平臺(tái)上的適當(dāng)位置；x：毛毛蟲機(jī)器人在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)液滴進(jìn)行融合；xi-xii：使用過(guò)的毛毛蟲機(jī)器人被丟棄在指定位置；xiii：在液滴內(nèi)部進(jìn)行攪拌，保證液滴的充分融合；xiv-xv: 蓋子罩住液滴；xvi：充分反應(yīng)1小時(shí)后；c）檢測(cè)的結(jié)果映射到CIE 1931色彩空間，有耐藥性的細(xì)菌在+區(qū)域，沒有耐藥性的細(xì)菌在-區(qū)域；d）8種細(xì)菌的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)方法得到的結(jié)果對(duì)比。

原文鏈接：Magnetic Soft Millirobots 3D Printed by Circulating Vat Photopolymerization to Manipulate Droplets Containing Hazardous Agents for In Vitro Diagnostics

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200061