哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院韓曉軍課題組和奧胡斯大學(xué)生物化學(xué)工程Menglin Chen課題組將熔融電紡絲書寫技術(shù)（MEW）、微成型和切削技術(shù)技術(shù)相結(jié)合，成功地批量化制備出可人工設(shè)計的磁性微機器人。在外部磁場下，實現(xiàn)了可控的滾動和推進運動，并展現(xiàn)出優(yōu)異的貨物操縱和運輸能力。
微型機器人的研發(fā)對微型無人飛行器、未知環(huán)境檢查和探索、微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)及靶向給藥等方面具有重要的意義。目前的微機器人可由超聲波、光、熱、氣泡和磁場驅(qū)動。其中磁場驅(qū)動的微機器人由于其高度可控，引起了人們更多關(guān)注。磁性螺旋、納米線和膠體多功能馬達均被報道。精子模板法、磁控濺射沉積法和自卷曲法也是制備磁性馬達常用方法。而新一代馬達要求特定的設(shè)計以實現(xiàn)預(yù)期功能，因而可結(jié)構(gòu)設(shè)計的馬達制造新策略（例如掠角沉積技術(shù)和3D激光打印技術(shù)）被提出來。普通用戶無法利用該技術(shù)實現(xiàn)微機器人的制造。因此，需要一種簡單且廉價的技術(shù)實現(xiàn)微機器人的設(shè)計及制備。
熔融靜電紡絲書寫技術(shù)（MEW）融合了熔體靜電紡絲和3D打印技術(shù)，相比于與傳統(tǒng)的3D打印，MEW可以得到小2個數(shù)量級的微米纖維。MEW所制備的產(chǎn)品可作為生物相容性支架，用于細胞培養(yǎng)和組織工程。MEW實現(xiàn)了可編程的靜電紡絲，并以批量生產(chǎn)的方式沉積在特定部位，纖維直徑和纖維形狀均顯示出高度的可控性，可在計算機控制下設(shè)計復(fù)雜的形狀或幾何形狀。在科研中，切片機不僅可產(chǎn)生超薄切片，用于獲得光學(xué)或電子顯微圖像，而且還可用于制造微納米材料，被命名為“切削技術(shù)”，可用于制備單獨的納米線或陣列、量子點和聚合物納米圓筒。將MEW技術(shù)與切削技術(shù)結(jié)合，其中MEW技術(shù)可以人工設(shè)計微纖維，而切削技術(shù)可將所設(shè)計的微纖維切成薄片，以批量制備微納米結(jié)構(gòu)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓曉軍課題組和奧胡斯大學(xué)Menglin Chen課題組提出了使用成本低和方法簡單的MEW技術(shù)應(yīng)用于磁性微機器人制造的方法。MEW可以直接將聚己內(nèi)酯（PCL）融化打印出不對稱條狀PCL，以此不對稱PCL作為模板，制備不對稱聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道。而后，將通道填充PCL/Fe3O4混合物，固化后，將改磁性坯料脫模，通過切削技術(shù)得到蝌蚪狀的磁性微機器人。該微機器人通過無線動態(tài)磁場實現(xiàn)了兩個獨立的運動（推進和滾動），通過磁場的頻率、強度和方向可調(diào)節(jié)該微型機器人的速度和方向，并展現(xiàn)出優(yōu)異的貨物操縱和運輸能力。
研究者相信，MEW的使用使得橫截面形態(tài)可設(shè)計的微機器人的構(gòu)建成為可能；谂髁系脑O(shè)計及精確微切削過程，該制造過程具有高度可重復(fù)性、低成本和批量生產(chǎn)的能力。在成型過程中引入具有不同功能的納米材料，可將微機器人設(shè)計為具有不同功能甚至多功能的仿生微機器人。MEW、微成型和切削技術(shù)的聯(lián)用在制造通用微機器人方面擁有巨大潛力。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Sciecne 上。
圖1.磁性類蝌蚪微機器人的制造過程示意圖。PCL不對稱模板（A），聚二甲基硅氧烷（PDMS）不對稱通道（B）和PCL/Fe3O4不對稱微型機器人（C）的示意性制造工藝。
圖2. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道和磁性PCL/Fe3O4不對稱坯料的表征。（A）以不同打印速度制備的PDMS通道的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（B）通道的寬度和深度與打印速度的關(guān)系；（C）具有不同形狀非對稱PDMS通道橫截面的SEM圖像；（D）通道2的光學(xué)顯微鏡圖像；（E）以通道2為模板制備的磁性PCL/Fe3O4不對稱坯料的SEM圖像。打印速度值標記在每個圖像上，單位為mm min-1。
圖3. 類蝌蚪磁性微機器人的表征和可控制運動。（A）PCL/Fe3O4磁性微機器人SEM圖像，附帶C，O和Fe元素分布；PCL/Fe3O4磁性微機器人的局部放大SEM圖像（B）和EDX光譜分析（C）；在滾動（D，E）和推進（G，H）磁場（4 Hz，1.85 mT）下的微機器人的光學(xué)顯微鏡圖像和3D示意圖；微型機器人在滾動（F）和推進（I）磁場（12 Hz，1.85 mT）下運動的延時顯微鏡圖像。PCL/Fe3O4磁性微機器人在滾動模式（J，K）和推進模式（L，M）下，速度與磁場頻率、強度的關(guān)系。
圖4. 類蝌蚪磁性微機器人在4 Hz和1.85 mT的磁場下運載微球。（A）推進模式下，通過頭部進行單個貨物操縱；（B）滾動模式下的多貨物運輸。
相關(guān)工作以“Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots”為題，發(fā)表在Advanced Sciecne (DOI: 10.1002/advs.202003177)上。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓曉軍教授和丹麥奧胡斯大學(xué)Menglin Chen教授為論文共同通訊作者。
原文鏈接：
Yingchun Su et al. Melt Electrospinning Writing of Magnetic Microrobots. Advanced Science, 2020.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202003177
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