華中科技大學: 飛秒激光4D打印光驅動智能微機械

來源： EngineeringForLife  

智能微機械能夠根據(jù)pH值、溫度、和磁性等各種外部刺激自主改變其形態(tài)構象，長期以來一直被認為對仿生學、藥物傳遞、組織工程、人工肌肉、納米馬達、和微/納米等新興領域產(chǎn)生重大影響。在各種類型的外部刺激響應性中，光響應性由于其優(yōu)異的內(nèi)在特性，如遠程精確驅動能力和多維光場調制(如波長、頻率、強度、偏振狀態(tài)和能量的時空分布)，具有許多獨特的優(yōu)勢。被認為是實現(xiàn)各種應用的智能微機械最有前途和不可或缺的措施之一對外部光刺激做出反應的智能微機械具有廣泛的潛在應用。然而，目前尚無法實現(xiàn)驅動閾值低、響應速度快、可設計和精確三維轉換能力強的人工光驅動智能微機械。

華中科技大學光電信息學院的Chunsan Deng等人提出了一種單材料和單步4D打印策略，以實現(xiàn)具有可編程形狀變形特征的敏捷和低閾值光驅動3D微型機器的納米制造。相關研究成果以“Femtosecond Laser 4D Printing of Light-Driven Intelligent Micromachines”為題，于2023年1月4日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

圖1 單材料單步4D打印方法示意圖

研究人員開發(fā)了一種碳納米管摻雜N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)復合水凝膠材料(CNNC)用于4D打印。作為一種溫度響應型水凝膠，NIPAM表現(xiàn)出從膨脹、水化狀態(tài)到收縮、疏水狀態(tài)的可逆低臨界溶液溫度相變。為了提高NIPAM基水凝膠的整體性能，研究人員選擇了與NIPAM單體化學結構相似的聚苯胺磺酸基化的單壁碳納米管(SWNT)作為摻雜相，開發(fā)了一系列含不同質量分數(shù)SWNT的CNNC復合水凝膠材料。摻雜SWNT后，原始水凝膠前驅體的透明度發(fā)生了很大變化，即使在暗室中放置兩個月，也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，沒有發(fā)生團聚現(xiàn)象。

圖2 FsLDW打印結構中SWNT的表征

當摻雜0.4 wt.% SWNT s時，水凝膠樣品的剛度達到2410 N m−1，比純NIPAM水凝膠提高了204.6%。且均勻分布的SWNT使其具有優(yōu)異的吸光性、光熱轉換效率和導熱性能。研究人員通過FsLDW打印空心足球，在聚焦激光束的刺激下，可快速產(chǎn)生可逆的形狀變形效應。相比之下，沒有摻雜SWNT的純NIPAM水凝膠的足球結構在相同的激光通量下幾乎沒有表現(xiàn)出激光誘導的變形效應。

研究人員開發(fā)了由不同結構單元組成的微機械以實現(xiàn)各向異性驅動，并驗證了其在微納米尺度上的力學效應和特性。將由一組巴基球(4×4×4μm3)組成的立方體(30×30×30 μm3)和具有相同尺寸的固體立方體作為比較。研究發(fā)現(xiàn)，以弱交聯(lián)CNNC水凝膠為柔性填充芯的剛性巴克球機械超材料復合結構在水環(huán)境下表現(xiàn)出良好的形狀保真度。而相比之下，由密集堆積的體素構成的相同立方結構，即使在水中膨脹后也表現(xiàn)出較小程度的結構變形。此外，兩種典型立方結構在光刺激下表現(xiàn)出明顯不同的收縮行為。如圖3c所示，兩個立方體的收縮比隨著激光功率的增加而增大，并在激光功率約為70mw時逐漸趨于飽和。此外，在功率為70mw時，巴克球組裝的立方體的收縮比(58%)比實心立方體(23%)大2倍以上，說明在光刺激下，巴克球組裝的三維立方體結構具有比三維實心立方體結構更大的動態(tài)調制范圍。

圖3 智能微柱纖毛的4D打印

微柱纖毛是4D打印各向異性驅動微機械的經(jīng)典模型。迄今為止，在單一材料體系中制造出具有較高速度、連續(xù)調節(jié)、優(yōu)異力輸出能力的各種微柱纖毛對仿生學和流體力學仍具有重要意義。通過將固體結構和巴克球組裝結構集成在一起，通過FsLDW打印技術實現(xiàn)各向異性微柱纖毛結構，并實現(xiàn)大尺寸且控制良好的光刺激彎曲驅動(圖3d,e)。如圖3f所示，纖毛瞬間彎曲并以一定角度固定，直到激光關閉。

值得注意的是，打印后的微柱纖毛結構在脈沖光刺激下表現(xiàn)出穩(wěn)定的光刺激響應性和良好的可逆性，在46.5 mW光刺激下，在15μm處具有較大且穩(wěn)定的珠狀延伸率。

此外，研究人員進一步設計了具有預定義的45度彎曲微柱，并將其打印成圓形陣列，制造了智能微鉗裝置 (圖4c)。

圖4 微柱圓形陣列組成的智能微鉗裝置

當打開微夾底座底部的光刺激時，6根微柱迅速收縮并向結構中心彎曲。

與單個微柱纖毛相似，該微鉗的彎曲角度對光刺激功率有很強的依賴性。隨著光刺激功率的不斷增大，各微柱的彎曲角度逐漸增大，微鉗隨之閉合。當激光功率增加到90 mW時，彎曲角度達到當功率進一步增加到110 mW時，微夾仍然保持在最閉合狀態(tài)，沒有進一步收縮。而當光刺激功率逐漸降低到90mw以下時，微夾逐漸打開，顯示了3D微夾器件具有精確的光刺激變形能力。

圖5 微型人工心臟的打印和功能演示

研究人員還使用FsLDW打印了一個仿生主動脈瓣微結構，如圖5b所示。主動脈瓣的三個尖部由巴基球單位細胞和實心層組成。該瓣膜的兩層結構最初與實際心臟瓣膜具有相同的預定義彎曲角度，以防止液體回流，三個血管葉固定在外徑為80μm、內(nèi)徑為60μm的實心環(huán)形底座上，同樣由FsLDW打印。環(huán)形底座固定在玻璃基板上，作為整個微閥的導熱帶。在沒有光刺激的情況下，閥門保持關閉狀態(tài)，因為結構已經(jīng)完全吸收了水并膨脹。由于智能水凝膠具有優(yōu)異的光熱轉換效率和導熱性，當沿環(huán)基任意選擇一點進行聚焦激光刺激時，整個閥門由于解吸水分而迅速收縮并呈現(xiàn)開啟狀態(tài)。此外，微型心臟瓣膜流量的連續(xù)可調是非常重要和必要的，這就要求微型心臟瓣膜具有調節(jié)開啟幅度的能力。并且通過光刺激功率來控制半月閥的開啟幅度。隨著功率的增加，半月閥的開啟幅度增大，當激光功率固定在一定值時，閥門保持在收縮狀態(tài)，穩(wěn)定性較好。

本文將CNNC水凝膠與非對稱機械超材料單元結構設計和組裝相結合，開發(fā)了一種單材料一步4D打印方法，用于光驅動3D微機械的制造。制得的光刺激微機械具有良好的控制性和可操作性，在組織工程、藥物輸送和生物醫(yī)學方面具有巨大的應用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211473