清华大学孙洪波、吉林大学张永来:飞秒激光仿生制造人工肌肉骨骼系统

近年来,软体微纳机器人由于具有高灵活性、生物兼容性和机械弹性,在单细胞操控、靶向药物输送和微创手术等领域展现出广阔的应用前景。目前,基于智能材料的三维微纳结构成型是制备软体微纳机器人的一种常用方法。然而,现有的软体材料三维加工技术通常仅适用于单材料体系。单一软材料存在各向同性响应、自支撑机械强度低、耐久性和稳定性差等问题,这成为其未来应用的主要障碍。

自然生物的肌肉骨骼系统为开发软硬结合的微纳机器人提供了灵感。然而,人工肌肉骨骼系统的制造通常需要将两种或两种以上性质不同的材料以亚微米尺度的分辨率编程组装成复杂的三维微纳结构,这在当前仍然是一个巨大的挑战。针对这个难题,清华大学孙洪波教授和吉林大学张永来教授团队合作报道了飞秒激光程序化加工人工肌肉骨骼系统,其中以相对刚性的光敏聚合物SU-8为骨架结构,以柔软的pH响应牛血清白蛋白(BSA)为智能肌肉。这一思想具体是通过在微流控芯片的辅助下利用飞秒激光原位加工这两种光敏材料来实现的,如图1所示展示了一种pH响应型蜘蛛微纳机器人制备流程和实验结果。

清华大学孙洪波、吉林大学张永来《自然·通讯》:飞秒激光仿生制造人工肌肉骨骼系统

图1. a,飞秒激光可编程制造肌肉骨骼系统示意图。b、c,微蜘蛛在BSA肌肉集成前后的扫描电镜图像。插图为它们对应的光学显微镜图像,后者中的蓝色部分表示腿部关节处的BSA肌肉。d-f,BSA肌肉和SU-8躯体界面处紧密结合的局部放大扫描电镜图像。

基于肌肉骨骼系统的典型模型,该团队采用飞秒激光原位加工的策略制作了由BSA肌肉和SU-8骨架组成的肌肉骨骼器件,并对其动态驱动性能进行了测试。图2a显示了手臂肌肉模型。在关节处BSA肌肉聚合后,可以观察到SU-8臂明显伸直,这是由于BSA的收缩导致。BSA肌肉紧密附着在SU-8骨架上,表明肌肉骨骼结构的完整性。此外,手臂-肌肉系统在长期储存后也表现出较好的耐用性。储存45天后,该结构几乎保持了不变的形貌。图2b和2c显示了手臂-肌肉系统的驱动性能。当周围环境的pH值从5切换到13时,可以观察到动态折叠和拉直性能。

45天后,手臂肌肉结构表现出与初始态一致的驱动性能,显示出良好的稳定性。图2d展示了另一个模型,蟹爪肌肉系统。它的一对钳子由SU-8制成,牛血清白蛋白肌肉在一个钳子的连接处与骨架集成在一起。BSA肌肉在pH刺激下的收缩和膨胀可以导致SU-8蟹爪的打开和关闭(图2e)。实际上,肌肉骨骼系统并不局限于上述两种形式。通过肌肉骨骼结构的合理设计,该策略可以直接制作任何所需的3D智能微纳机器人

清华大学孙洪波、吉林大学张永来《自然·通讯》:飞秒激光仿生制造人工肌肉骨骼系统

图2. a,手臂肌肉系统;(i)模型;(ii)SU-8骨骼的扫描电镜图像;(iii)BSA集成后手臂肌肉的扫描电镜图像;(iv)BSA与SU-8界面的扫描电镜图像;(v)储存45天后手臂肌肉的扫描电镜图像;(vi)储存45天后手臂肌肉两种材料界面的扫描电镜图像。b、 45天后臂肌pH值的光镜图像。c、 手臂肌肉结构的动态pH响应特性。d,蟹爪肌肉系统;(i)SU-8骨骼的光学显微镜图像和(ii)SEM图像;(iii)BSA集成后的光学显微镜图像和(iv)集成BSA后的SEM图像。e,蟹爪pH驱动的光学显微镜图像。f,蟹爪4个周期的动态pH响应特性。

为了充分利用开发肌肉骨骼系统模型,该团队设计并加工了由SU-8骨骼和BSA肌肉组成的pH驱动的微夹持器(图3a)。图3b和图3c分别展示了BSA集成前后微夹持器的尺寸和结构形态。在BSA肌肉集成后,由于BSA肌肉的收缩,夹持器打开。利用飞秒激光加工的可编程加工能力,通过改变激光扫描点线面间距,可以进一步在纳米尺度控制聚合物结构的内部交联网络。这样,BSA肌肉的弹性和SU-8骨骼的刚度都可以精确调控。

清华大学孙洪波、吉林大学张永来《自然·通讯》:飞秒激光仿生制造人工肌肉骨骼系统

图3. a,微夹持器的三维模型。b-c,分别在牛血清白蛋白肌肉集成前后微夹持器扫描电镜图像。d,当周围溶液的pH值在5和13之间切换时,BSA方块的溶胀率随激光扫描步长(50、100、150和200 nm)的依赖关系。插图是相应的BSA方块的光学显微镜图像。e,制作牛血清白蛋白肌肉时,微夹持器的一个臂的弯折角度与激光扫描步长的关系。f,目标物的扫描电镜图像(一个SU-8方块附着在一个底座上)。g,使用pH响应微夹持器捕捉和释放SU-8目标物的流程示意。h,操纵过程的截取图。

实验中通过改变pH来控制夹持器的弯折和展开,可以很好地操纵夹持器来拾取和释放不同大小的目标物体。为了展示这种智能微夹持器的应用,该团队将夹持器集成在玻璃材质的悬臂上,然后将其固定在精密运动控制系统中,以一个用微米线固定在衬底上的立方体(边长10 mm)作为目标对象(图3f)。图3g显示了操作过程的示意图,包括定位、捕获、转运和释放;图3h显示了该过程在不同时刻的截图。当夹持器靠近目标后,触发BSA肌肉的膨胀,目标被微夹持器紧紧抓住。在运动系统的精确控制下,物体可以被运送到任意想要的位置。BSA肌肉收缩时夹持器打开,释放物体。这种智能微夹持器能够实现目标捕获和释放,在微小物体靶向操控等前沿应用中很有前景。随着微流体的快速发展,这种基于肌肉骨骼系统的机器人可能会演变为片上机器人系统,并在体外细胞操作、物体搬运、精密组装、设备集成和微创手术方面有着巨大的应用前景。该工作提出的策略是通用的,并不局限于SU-8和BSA材料组分。可以相信,随着智能材料的快速发展,该策略可能会在由多材料组成的3D微纳机器人的开发中发挥越来越重要的作用。

以上相关成果发表在Nature Communications上(NatCommun 11, 4536 (2020))。论文的第一作者为清华大学精仪系博士后马卓晨,通讯作者为清华大学孙洪波教授和吉林大学张永来教授。

 

论文链接:

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

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