自然界中，細(xì)菌、精子和一些微生物使用它們納米級(jí)的彈性菌絲進(jìn)行傳感、驅(qū)動(dòng)和捕食。它們的力感知靈敏度可以達(dá)到納牛乃至皮牛級(jí)別。這些微生物和細(xì)胞的生物力學(xué)特性令人著迷，長(zhǎng)久以來(lái)人們夢(mèng)想著制造出如此精巧的仿生彈性器件，以便能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行精確的細(xì)胞力學(xué)表征和更進(jìn)一步地隨心所欲操縱。
1月4日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的徐海峰團(tuán)隊(duì)通過(guò)開發(fā)超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了包含彈性編程在內(nèi)的彈性體4D納米光刻技術(shù)，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧（picospring）。該系統(tǒng)具有納米級(jí)的特征尺寸和500飛牛級(jí)別（500 fN）的超低力靈敏度，相當(dāng)于單個(gè)細(xì)胞重力的一千分之一，并且應(yīng)變精度超過(guò)1 m/pN。皮牛彈簧支持高度自由的3D光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時(shí)完美兼容磁性光刻材料，因此可用于制備各類軟體微米機(jī)器人和柔性微米器件，如用于測(cè)量精子驅(qū)動(dòng)力的微米測(cè)力計(jì)、用于細(xì)胞操縱的微米鑷子以及進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)的微米企鵝和微米海龜?shù)葯C(jī)器。 該文章發(fā)表在微納器件領(lǐng)域頂級(jí)雜志Nature Nanotechnology，徐海峰為論文的獨(dú)立一作及共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為論文第一單位，合作單位為德國(guó)萊布尼茨固態(tài)與材料研究所與開姆尼茨工業(yè)大學(xué)。深圳先進(jìn)院王磊研究員亦為該文章作者之一。
彈簧是人類認(rèn)識(shí)的最早的能量轉(zhuǎn)換器件。小至鐘表、扭秤，大至汽車懸掛、原子力顯微鏡，無(wú)一不是使用彈簧機(jī)構(gòu)作為其關(guān)鍵部件而來(lái)?？梢哉f(shuō)彈簧豐富了人造機(jī)械的多樣性。在微觀世界中，細(xì)胞和微生物也使用彈性機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行力感知、捕食、驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作。把彈簧的應(yīng)用推廣到微觀世界，而發(fā)明出具備彈簧機(jī)構(gòu)的微納器件是人類長(zhǎng)久以來(lái)的一大構(gòu)想。雖然彈簧的應(yīng)用歷史悠久，但能應(yīng)用于細(xì)胞力學(xué)的大應(yīng)變微米彈性器件卻面臨挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵困難在于細(xì)胞相容性彈性材料的高精度3D加工。此前，徐海峰團(tuán)隊(duì)分別開發(fā)了彈簧觸發(fā)的抗癌精子機(jī)器人以及抗血栓的精子火車機(jī)器人。研究發(fā)表在ACS Nano和Angewandte Chemie等頂級(jí)期刊，被Science、MIT Technology Review、美國(guó)國(guó)家廣播電視等多家期刊和媒體報(bào)道（鏈接見文末）。但前期的微米機(jī)器人的力感知精度較差，且無(wú)法達(dá)成細(xì)胞的自由操縱。
在此背景下，徐海峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)出世界首個(gè)納米加工精度的彈性體光刻膠，構(gòu)建了包含彈性模量在內(nèi)的彈性體4D光刻策略，用以定制化加工軟體微米機(jī)器人，并展示了不同機(jī)器人的多種應(yīng)用。（1）微米測(cè)力計(jì)可對(duì)皮牛級(jí)細(xì)胞力產(chǎn)生微米級(jí)的響應(yīng)，可以用來(lái)測(cè)量包括精子在內(nèi)的物理、化學(xué)和生物復(fù)合等各類微米機(jī)器人的泳動(dòng)力。（2）微米夾持器可以被磁場(chǎng)獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)包括夾持在內(nèi)的8個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。通過(guò)編程磁場(chǎng)模式，可以實(shí)現(xiàn)微米機(jī)器人翻滾、旋轉(zhuǎn)、夾持、釋放等多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的解耦控制，針對(duì)特定目標(biāo)物，如活體細(xì)胞進(jìn)行夾持和轉(zhuǎn)運(yùn)。該過(guò)程不涉及任何如光、熱、離子或pH等細(xì)胞敏感的環(huán)境變化，真正實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的無(wú)影響操縱。（3）仿生軟體微米機(jī)器人具有集成的彈簧組。通過(guò)彈簧對(duì)磁場(chǎng)能量的儲(chǔ)存和編程釋放，實(shí)現(xiàn)了僅有磁場(chǎng)控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜?shù)能涹w驅(qū)動(dòng)。
該研究開創(chuàng)了軟體機(jī)器人在細(xì)胞力學(xué)及細(xì)胞操縱等領(lǐng)域的應(yīng)用范疇，為構(gòu)建新型的細(xì)胞力學(xué)研究平臺(tái)和細(xì)胞操縱分選平臺(tái)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。它為細(xì)胞水平的非侵入性操縱開辟了途徑，為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送領(lǐng)域提供了新方法。 未來(lái)，新型微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)軟體微米機(jī)器人儀器將為細(xì)胞力學(xué)研究、體內(nèi)受精以及小腔道內(nèi)血栓清除和神經(jīng)干預(yù)等醫(yī)療任務(wù)提供有效助力。
4D納米彈性體光刻策略制備各類軟體微米機(jī)器人的示意圖
皮牛級(jí)軟體微米機(jī)器人的加工與應(yīng)用。（a）彈性編程的4D納米光刻技術(shù)用于微米機(jī)器人的加工。（b）皮牛級(jí)微米測(cè)力計(jì)用于細(xì)胞力學(xué)研究。（c）皮牛級(jí)微米鑷子用于多種不同形狀細(xì)胞的無(wú)干擾操縱。（d）皮牛級(jí)磁驅(qū)微米企鵝和微米海龜。
徐海峰開發(fā)的兩種精子機(jī)器人：抗癌四足精子機(jī)器人（左）和抗血栓精子火車機(jī)器人（右）。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0
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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b06398
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07851
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005657
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