清華大學孫洪波、吉林大學張永來《自然·通訊》：飛秒雷射仿生製造人工肌肉骨骼系統

2020-09-15 高分子科學前沿

近年來，軟體微納機器人由於具有高靈活性、生物兼容性和機械彈性，在單細胞操控、靶向藥物輸送和微創手術等領域展現出廣闊的應用前景。目前，基於智能材料的三維微納結構成型是製備軟體微納機器人的一種常用方法。然而，現有的軟體材料三維加工技術通常僅適用於單材料體系。單一軟材料存在各向同性響應、自支撐機械強度低、耐久性和穩定性差等問題，這成為其未來應用的主要障礙。

自然生物的肌肉骨骼系統為開發軟硬結合的微納機器人提供了靈感。然而，人工肌肉骨骼系統的製造通常需要將兩種或兩種以上性質不同的材料以亞微米尺度的解析度編程組裝成複雜的三維微納結構，這在當前仍然是一個巨大的挑戰。針對這個難題，清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授團隊合作報導了飛秒雷射程序化加工人工肌肉骨骼系統，其中以相對剛性的光敏聚合物SU-8為骨架結構，以柔軟的pH響應牛血清白蛋白(BSA)為智能肌肉。這一思想具體是通過在微流控晶片的輔助下利用飛秒雷射原位加工這兩種光敏材料來實現的，如圖1所示展示了一種pH響應型蜘蛛微納機器人製備流程和實驗結果。

圖1. a,飛秒雷射可編程製造肌肉骨骼系統示意圖。b、c,微蜘蛛在BSA肌肉集成前後的掃描電鏡圖像。插圖為它們對應的光學顯微鏡圖像，後者中的藍色部分表示腿部關節處的BSA肌肉。d-f，BSA肌肉和SU-8軀體界面處緊密結合的局部放大掃描電鏡圖像。

基於肌肉骨骼系統的典型模型，該團隊採用飛秒雷射原位加工的策略製作了由BSA肌肉和SU-8骨架組成的肌肉骨骼器件，並對其動態驅動性能進行了測試。圖2a顯示了手臂肌肉模型。在關節處BSA肌肉聚合後，可以觀察到SU-8臂明顯伸直，這是由於BSA的收縮導致。BSA肌肉緊密附著在SU-8骨架上，表明肌肉骨骼結構的完整性。此外，手臂-肌肉系統在長期儲存後也表現出較好的耐用性。儲存45天後，該結構幾乎保持了不變的形貌。圖2b和2c顯示了手臂-肌肉系統的驅動性能。當周圍環境的pH值從5切換到13時，可以觀察到動態摺疊和拉直性能。45天後，手臂肌肉結構表現出與初始態一致的驅動性能，顯示出良好的穩定性。圖2d展示了另一個模型，蟹爪肌肉系統。它的一對鉗子由SU-8製成，牛血清白蛋白肌肉在一個鉗子的連接處與骨架集成在一起。BSA肌肉在pH刺激下的收縮和膨脹可以導致SU-8蟹爪的打開和關閉(圖2e)。實際上，肌肉骨骼系統並不局限於上述兩種形式。通過肌肉骨骼結構的合理設計，該策略可以直接製作任何所需的3D智能微納機器人。

圖2. a,手臂肌肉系統；（i）模型；（ii）SU-8骨骼的掃描電鏡圖像；（iii）BSA集成後手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（iv）BSA與SU-8界面的掃描電鏡圖像；（v）儲存45天後手臂肌肉的掃描電鏡圖像；（vi）儲存45天後手臂肌肉兩種材料界面的掃描電鏡圖像。b、 45天後臂肌pH值的光鏡圖像。c、 手臂肌肉結構的動態pH響應特性。d,蟹爪肌肉系統；（i）SU-8骨骼的光學顯微鏡圖像和（ii）SEM圖像；（iii）BSA集成後的光學顯微鏡圖像和（iv）集成BSA後的SEM圖像。e,蟹爪pH驅動的光學顯微鏡圖像。f,蟹爪4個周期的動態pH響應特性。

為了充分利用開發肌肉骨骼系統模型，該團隊設計並加工了由SU-8骨骼和BSA肌肉組成的pH驅動的微夾持器(圖3a)。圖3b和圖3c分別展示了BSA集成前後微夾持器的尺寸和結構形態。在BSA肌肉集成後，由於BSA肌肉的收縮，夾持器打開。利用飛秒雷射加工的可編程加工能力，通過改變雷射掃描點線面間距，可以進一步在納米尺度控制聚合物結構的內部交聯網絡。這樣，BSA肌肉的彈性和SU-8骨骼的剛度都可以精確調控。

圖3. a,微夾持器的三維模型。b-c,分別在牛血清白蛋白肌肉集成前後微夾持器掃描電鏡圖像。d,當周圍溶液的pH值在5和13之間切換時，BSA方塊的溶脹率隨雷射掃描步長（50、100、150和200 nm）的依賴關係。插圖是相應的BSA方塊的光學顯微鏡圖像。e，製作牛血清白蛋白肌肉時，微夾持器的一個臂的彎折角度與雷射掃描步長的關係。f,目標物的掃描電鏡圖像(一個SU-8方塊附著在一個底座上)。g,使用pH響應微夾持器捕捉和釋放SU-8目標物的流程示意。h,操縱過程的截取圖。

實驗中通過改變pH來控制夾持器的彎折和展開，可以很好地操縱夾持器來拾取和釋放不同大小的目標物體。為了展示這種智能微夾持器的應用，該團隊將夾持器集成在玻璃材質的懸臂上，然後將其固定在精密運動控制系統中，以一個用微米線固定在襯底上的立方體(邊長10 mm)作為目標對象(圖3f)。圖3g顯示了操作過程的示意圖，包括定位、捕獲、轉運和釋放；圖3h顯示了該過程在不同時刻的截圖。當夾持器靠近目標後，觸發BSA肌肉的膨脹，目標被微夾持器緊緊抓住。在運動系統的精確控制下，物體可以被運送到任意想要的位置。BSA肌肉收縮時夾持器打開，釋放物體。這種智能微夾持器能夠實現目標捕獲和釋放，在微小物體靶向操控等前沿應用中很有前景。隨著微流體的快速發展，這種基於肌肉骨骼系統的機器人可能會演變為片上機器人系統，並在體外細胞操作、物體搬運、精密組裝、設備集成和微創手術方面有著巨大的應用前景。該工作提出的策略是通用的，並不局限於SU-8和BSA材料組分。可以相信，隨著智能材料的快速發展，該策略可能會在由多材料組成的3D微納機器人的開發中發揮越來越重要的作用。

以上相關成果發表在Nature Communications上(NatCommun11, 4536 (2020))。論文的第一作者為清華大學精儀系博士後馬卓晨，通訊作者為清華大學孫洪波教授和吉林大學張永來教授。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18117-0.

來源：高分子科學前沿

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