綜述：用于微型設(shè)備的刺激響應(yīng)水凝膠的光基 3D 打印最新進展和前景

來源： EFL生物3D打印與生物制造

近年來, 由具有高環(huán)境適應(yīng)性的刺激響應(yīng)水凝膠組成的微型裝置被認(rèn)為是生物醫(yī)學(xué)、精密傳感器和可調(diào)諧光學(xué)等領(lǐng)域的有力候選者�？煽肯冗M的制造方法對最大限度地發(fā)揮微型器件的應(yīng)用能力至關(guān)重要。光基3D打印技術(shù)具有適用材料廣、加工精度高、三維制造能力強等優(yōu)點，適合制造各種功能化微型器件。

來自香港中文大的張立團隊總結(jié)了光基3D打印刺激響應(yīng)微型器件的最新進展，重點介紹了光基3D打印制造技術(shù)、智能刺激響應(yīng)水凝膠和可調(diào)諧微型器件在微貨物操縱、靶向藥物和細(xì)胞遞送、活性支架、環(huán)境傳感和光學(xué)成像等領(lǐng)域的最新突破。最后，提出了可調(diào)諧微型器件從實驗室過渡到實際工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)。闡述了未來促進可調(diào)諧微型器件發(fā)展的機遇，有助于加深對這些微型器件的了解，并進一步實現(xiàn)其在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用。相關(guān)工作以題為“Light-based 3D printing of stimulus-responsive hydrogels for miniature devices: recent progress and perspective”的綜述文章發(fā)表在2024年09月17日的期刊《Bio-Design and Manufacturing》。

本文綜述了基于光的3D打印水凝膠在微設(shè)備中的最新進展，重點介紹了過去十年里研究人員在光基3D打印技術(shù)、智能響應(yīng)材料和功能化微設(shè)備方面的努力與成就（如圖1所示）。智能響應(yīng)材料包括化學(xué)、溫度、光、磁性、電性和機械觸發(fā)模式，這些模式使得微設(shè)備能夠操作并響應(yīng)環(huán)境變化，如變形和運動。這些具有增強可調(diào)性和環(huán)境適應(yīng)性的智能設(shè)備滿足了預(yù)期，并在諸如微觀納米操控、靶向藥物和細(xì)胞傳遞、環(huán)境傳感、可調(diào)光學(xué)和活性支架等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文還討論了當(dāng)前研究界面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來研究方向，以進一步推進這些微設(shè)備在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用。

圖1在過去的十年中，基于光的3D打印水凝膠的研究

光固化3D打印
與擠壓和噴墨3D打印技術(shù)相比，基于光固化的3D打印技術(shù)提供了高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模能力。到目前為止，基于光的3D打印方法主要分為立體光刻（SLA），數(shù)字光處理（DLP），連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP），雙光子聚合（TPP）和體積增材制造（VAM）。一部分關(guān)于擠壓3D打印的研究是基于光固化處理的。然而，擠壓光固化的3D打印精度受到噴嘴尺寸和材料流變性質(zhì)的限制，難以與上述幾種光基打印技術(shù)相媲美。此外，相當(dāng)多的綜述總結(jié)了擠壓光固化3D打印。因此，本綜述重點關(guān)注SLA、DLP、CLIP、TPP和VAM技術(shù)。SLA是1984年開發(fā)的第一種基于光的3D打印技術(shù)，被認(rèn)為是市場上最精確的3D打印過程之一。一般來說，SLA使用激光作為光源，激光束掃過可以在水平軸上移動的樹脂，導(dǎo)致材料的逐層固化（圖2a）。SLA打印過程需要時間來測量和控制樹脂液位和刮削，導(dǎo)致整體打印速度較低。為了提高3D打印的速度，提出了基于數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）作為主要光束調(diào)節(jié)器的DLP技術(shù)；該技術(shù)使用掩模投影一次固化一層光敏樹脂，并逐層累積以獲得3D結(jié)構(gòu)（圖2b）。DMD具有高切換速度和高分辨率，因此，它可以保證高處理精度和高處理速度。DLP技術(shù)已經(jīng)顯示出改進的性能和應(yīng)用前景。它已用于各個領(lǐng)域，如組織工程、生物醫(yī)學(xué)、超材料、微光學(xué)器件和微機電系統(tǒng)。   

圖2 基于光的3D打印技術(shù)示意圖

化學(xué)響應(yīng)性水凝膠
化學(xué)響應(yīng)性水凝膠通常通過在網(wǎng)絡(luò)中引入離子基團來實現(xiàn)對溶劑、離子濃度和pH值的響應(yīng)。當(dāng)水凝膠同時含有親水基團和疏水基團時，置于液體中的親水部分會吸收水分子并處于膨脹狀態(tài)，這反過來會導(dǎo)致水凝膠的形狀發(fā)生變化。Zhao等人報道了一種通過多層數(shù)字光處理(DLP)打印技術(shù)制備的親水-疏水復(fù)合水凝膠，其結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)形狀變化，包括波浪環(huán)、螺旋帶和彎曲葉片（圖3a）。此外，離子響應(yīng)是一種廣泛使用的激勵-響應(yīng)模式，它極大地依賴于水凝膠對液體離子濃度的敏感性�；�于3-磺酸丙基甲基丙烯酸酯鉀鹽(PSPMA)的水凝膠結(jié)構(gòu)可以在離子強度變化時表現(xiàn)出可逆的形狀變化特性。水凝膠結(jié)構(gòu)隨著離子濃度的變化在兩種形狀之間可逆切換（圖3b）。另外，pH響應(yīng)性水凝膠是最常見的化學(xué)響應(yīng)性水凝膠類型之一。pH響應(yīng)性水凝膠聚合物的主鏈攜帶離子（陰離子或陽離子）基團。在適當(dāng)?shù)膒H值的水介質(zhì)中，離子基團電離并產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致水凝膠的膨脹或收縮。重要的是，pH值的微小變化可以導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格大小的顯著變化。   

圖3 基于化學(xué)響應(yīng)性水凝膠的光打印微型結(jié)構(gòu)

溫度敏感型水凝膠
溫度響應(yīng)型單體也可以添加到水凝膠中以誘導(dǎo)溫度響應(yīng)。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）具有低臨界溶解溫度（LCST = 32℃），是最常見的溫度響應(yīng)單元。其工作原理是當(dāng)溫度超過水凝膠的LCST時，水凝膠會暴露出疏水基團并擠壓內(nèi)部的水分子，從而產(chǎn)生強烈的收縮。由于其LCST接近人體溫度且具有良好的生物相容性，PNIPAm適用于用于體外和體內(nèi)藥物遞送以及動態(tài)驅(qū)動的微型設(shè)備。Han等人報告了使用高分辨率DLP技術(shù)3D打印PNIPAm結(jié)構(gòu)。通過控制3D打印工藝參數(shù)和水凝膠成分，可以靈活調(diào)節(jié)微型啞鈴的溫度響應(yīng)變形能力（如圖4a所示）。此外，Liao等人構(gòu)建了多種水凝膠結(jié)構(gòu)，包括章魚、變色龍和花（如圖4b所示）。它們能在不同溫度下改變形狀和顏色。而且，已經(jīng)開發(fā)出具有形狀記憶能力的溫度響應(yīng)水凝膠，能在40分鐘內(nèi)改變形狀（如圖4c所示），用于制造微型設(shè)備。除了毫米到厘米級的結(jié)構(gòu)外，TPP基的4D打印還實現(xiàn)了微米級溫度響應(yīng)微型設(shè)備的發(fā)展。Hippler等人報道了3D PNIPAm異質(zhì)微結(jié)構(gòu)，并通過在TPP過程中控制局部曝光劑量，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可設(shè)計和大變形。微懸臂結(jié)構(gòu)可以在20至45℃的溫度下從直線變?yōu)閺澢�（如圖4d所示）。向溫度響應(yīng)水凝膠中引入離子共聚單體，如丙烯酸和丙烯酸酯，可用于調(diào)節(jié)其LCST以適應(yīng)各種應(yīng)用。此外，提出了幾種策略，包括互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、NCs和滑環(huán)水凝膠，以進一步提高PNIPAm水凝膠的機械強度，適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。   

圖4 基于溫度響應(yīng)性水凝膠的光打印微型結(jié)構(gòu)

【光響應(yīng)性水凝膠】
光響應(yīng)性水凝膠也是構(gòu)建微型化設(shè)備的常用材料。這些設(shè)備的光響應(yīng)機制主要分為光異構(gòu)化/電離和納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換。偶氮苯是最常見的光異構(gòu)化單元之一，它可以在紫外光到近紅外光的刺激下在反式/順式結(jié)構(gòu)之間切換�；�于光熱效應(yīng)的光響應(yīng)性水凝膠必須向其網(wǎng)絡(luò)中添加各種光子吸收材料，如金納米棒、石墨烯和碳納米管。光熱效應(yīng)是指光熱材料在受到光輻射時迅速從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，然后返回基態(tài)，能量以熱的形式耗散。利用基于光的3D打印技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了具有微米到厘米尺寸的微型光響應(yīng)設(shè)備�；�于SLA技術(shù)，超快光響應(yīng)形狀記憶水凝膠被用來構(gòu)建微結(jié)構(gòu)（圖5a）。結(jié)構(gòu)的變形程度和角度可以通過不同的打印灰度來控制。此外，通過將金納米棒摻雜到水凝膠中，展示了一種光驅(qū)動的微凝膠轉(zhuǎn)子。摻雜氧化石墨烯的雙層水凝膠也能快速響應(yīng)近紅外光。光熱模式使水凝膠雙層迅速加熱并扭曲（圖5b）。特別是，TPP也可以用來構(gòu)建微尺度的3D光響應(yīng)結(jié)構(gòu)。與較大的結(jié)構(gòu)（毫米到厘米）相比，微結(jié)構(gòu)將其光熱響應(yīng)時間縮短至<1秒。Deng等人使用飛秒激光直接寫入內(nèi)部均勻摻雜單壁碳納米管（SWCNTs）的各種復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以在NIR（70 mW）下在300毫秒內(nèi)變形。作為演示，構(gòu)建了一個微尺度的3D人工心臟，并通過光刺激驗證了起搏過程（圖5c）。   

圖5 基于光響應(yīng)性水凝膠的光打印微型結(jié)構(gòu)

【磁響應(yīng)性水凝膠】   
磁場刺激是無線的、精確的，并且對人體無害，可以競爭性地用于微型裝置中。因此，各種磁響應(yīng)性裝置已經(jīng)被開發(fā)用于醫(yī)療機器人、柔性電子和生物傳感器等領(lǐng)域。當(dāng)在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中添加磁性顆粒時，磁場不僅能激發(fā)形狀變化，還能賦予設(shè)備強烈的運動能力。通過填充各種磁性響應(yīng)顆粒（如Fe3O4納米顆粒、Ni納米顆粒和NdFeB顆粒）可以獲得磁響應(yīng)性水凝膠。Xia等人開發(fā)了一種毫米級磁響應(yīng)軟體機器人LarvaBot，通過在其中填充NdFeB微顆粒（5 μm）。LarvaBot提供了一個平臺來理解蠓幼蟲的敏捷運動，并為其他非系繩式游泳機器人提供驅(qū)動、步態(tài)選擇和路徑規(guī)劃的信息（圖6a）�？删幊檀呕�能夠使微型設(shè)備具備從二維到三維復(fù)雜響應(yīng)變形的自由度。Diller的研究組提出了一種衍生的數(shù)字光處理(DLP)打印技術(shù)，以逐層編程硬磁性材料的取向，從而制造出具有不同磁化的設(shè)備。打印出的之字形彈簧和蜈蚣分別可以用作可調(diào)光學(xué)鏡架和軟體爬行機器人（圖6b）。此外，主要通過TPP技術(shù)構(gòu)建的微米級磁響應(yīng)設(shè)備也引起了研究關(guān)注。Dong等人使用TPP在水凝膠中構(gòu)建了3D微泳器，可用于神經(jīng)細(xì)胞的靶向遞送和分化。這些微泳器在細(xì)胞遞送后顯示出高生物相容性和生物降解性（圖6c）。值得注意的是，類似的磁響應(yīng)微機器人已被制造出來進行細(xì)胞毒性測試。除了單個磁響應(yīng)微設(shè)備外，還可以通過TPP技術(shù)構(gòu)建包含多個磁響應(yīng)微設(shè)備的微執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。圖6d顯示了由磁性微顆粒和水凝膠連接組成的微執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)�？傊�，微執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)可以進行二維到三維的變形，并可用于組織工程和傷口愈合中的主動形狀變形。

圖6 基于磁響應(yīng)性水凝膠的光打印微型結(jié)構(gòu)

【電響應(yīng)水凝膠】
電場是一種廣泛使用的激勵源，可用于觸發(fā)水凝膠的形狀變形。其機制是這些水凝膠中的聚合物鏈攜帶大量離子基團，當(dāng)在其兩側(cè)施加電壓時，水凝膠中的帶電離子和反離子在電泳力的作用下向相反方向遷移。這種情況導(dǎo)致水凝膠內(nèi)部形成離子濃度梯度，從而產(chǎn)生不同的水凝膠滲透壓。滲透壓的差異導(dǎo)致水凝膠不同程度的膨脹，最終導(dǎo)致其彎曲和變形。通過DLP技術(shù)制造的類人微型機器人可以實現(xiàn)雙向移動，這也使得通過電場驅(qū)動實現(xiàn)的步行運動成為可能（如圖7a所示）。除了離子遷移外，電場誘導(dǎo)的生物水凝膠收縮也被視為一種激勵模式。由于骨骼肌能夠響應(yīng)電刺激產(chǎn)生收縮以提供動力，因此構(gòu)建載有骨骼肌細(xì)胞的水凝膠生物機器人是靶向藥物遞送、生物傳感器和藥物篩選平臺的候選者。如圖7b所示，研究人員已經(jīng)利用SLA 3D打印優(yōu)化了電響應(yīng)水凝膠生物機器人的幾何設(shè)計和材料特性。電場觸發(fā)了生物機器人肌肉帶中的細(xì)胞收縮，并產(chǎn)生了最大速度約為156 µm/s的凈位移。  

圖7 基于電和機械響應(yīng)性水凝膠的光打印水凝膠

【光打印微型設(shè)備的功能】
光基3D打印技術(shù)使得構(gòu)建高精度和任意形狀的三維刺激響應(yīng)設(shè)備成為可能。持續(xù)在打印方法和智能材料開發(fā)方面的努力，使得基于刺激響應(yīng)水凝膠的微設(shè)備在科學(xué)與工程中的應(yīng)用成為現(xiàn)實。本文重點關(guān)注用于貨物操控、靶向藥物和細(xì)胞運輸、主動支架、環(huán)境傳感和可調(diào)光學(xué)的刺激響應(yīng)微設(shè)備。由刺激響應(yīng)水凝膠打印的微型執(zhí)行器可以操作多種規(guī)模的貨物（從微米到厘米）。它們不僅可以操控硬質(zhì)材料，還能抓取和轉(zhuǎn)移柔軟的生物材料，如細(xì)胞和精子。一個3D打印的溫度響應(yīng)抓手能夠在智能控制的液體溫度下實現(xiàn)空心籠抓取和運輸。當(dāng)液體溫度低于LCST時，抓手在7秒內(nèi)閉合并抓住約10毫米的貨物（圖8a）。除了可以在外部磁場下抓取和運輸貨物的系留式抓手外，還可以基于磁響應(yīng)水凝膠制造無線抓手（圖8b）。由于靈活的磁場控制，磁性抓手能夠抓住貨物并跨越障礙物。特別是對于微型貨物的操作對微設(shè)備而言是一個挑戰(zhàn)。TPP技術(shù)開發(fā)的刺激響應(yīng)微執(zhí)行器允許控制地拾取和轉(zhuǎn)移微型貨物，包括微粒和細(xì)胞。Zhang的團隊開發(fā)了一種基于pH響應(yīng)水凝膠的微執(zhí)行器，可以用來抓取直徑達(dá)10微米的微粒。顯微鏡和掃描電子顯微鏡圖像展示了微執(zhí)行器實現(xiàn)的抓取過程（圖8c）。此外，Wu的團隊提出了一種動態(tài)貝塞爾光束TPP處理方法，用于制造pH響應(yīng)水凝膠微抓手。這些抓手可以原位捕獲神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）（圖8d）。此外，Ma等人提出了一種芯片上TPP技術(shù)，用于連續(xù)在芯片上制造兩種光敏材料，這一過程是利用微流控芯片完成的。在微尺度上制造了人造肌肉骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在平臺上靈活地夾緊和轉(zhuǎn)移微粒（圖8e）。除了貨物抓取和運輸，光打印的水凝膠微機器人還可用于調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的免疫能力，以用于潛在的靶向免疫治療應(yīng)用。   

圖8 基于刺激響應(yīng)性裝置的貨物操控

【靶向藥物和細(xì)胞遞送】
得益于高生物相容性和微納米負(fù)載能力，基于水凝膠的醫(yī)療機器人適合按需治療和細(xì)胞移植時裝載藥物和細(xì)胞。由于水凝膠包含納米孔網(wǎng)絡(luò)，藥物分子可以與水分子一起儲存在這些多孔網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)區(qū)域時，醫(yī)療機器人受到刺激收縮并擠出藥物分子以完成精準(zhǔn)的藥物遞送。Sitti的研究組提出了一種直徑為6 μm、長度為20 μm的雙螺旋微機器人，該機器人能夠使用外部光刺激按需主動釋放化療藥物阿霉素(DOX)。暴露在紫外光下30分鐘，熒光強度顯著下降，表明DOX從微機器人水凝膠網(wǎng)絡(luò)中裂解并釋放（圖9a）。此外，精確的藥物釋放可以通過刺激響應(yīng)性微機器人的形狀切換來表征。Xin等人使用雙重磁-pH響應(yīng)性水凝膠制造了魚形微機器人，其中磁場控制運動，pH值控制魚口形狀切換。微機器人通過打開魚口按需在人工微毛細(xì)血管內(nèi)釋放藥物分子，用于腫瘤細(xì)胞治療（圖9b）。

圖9 基于刺激響應(yīng)性裝置的靶向藥物和細(xì)胞遞送

【總結(jié)與展望】
綜上所述，下一代微設(shè)備的發(fā)展將優(yōu)先考慮智能微設(shè)備，這些設(shè)備在機器人技術(shù)、芯片實驗室、傳感器和光學(xué)等領(lǐng)域也將有廣闊的應(yīng)用前景。智能微設(shè)備是工程學(xué)、材料科學(xué)、力學(xué)、機器人技術(shù)、光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的新興領(lǐng)域。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界中不同領(lǐng)域擁有多樣化專業(yè)知識的研究人員之間的緊密合作是必要的，以實現(xiàn)能夠在體內(nèi)執(zhí)行治療功能的響應(yīng)式微機器人，以及在復(fù)雜操作條件下可調(diào)節(jié)的光學(xué)設(shè)備。   

文章來源：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-024-00295-1