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    科研進展

    理化所飛秒激光直寫3D仿生響應型水凝膠微致動器取得新進展

    稿件來源:仿生智能界面科學中心 發布時間:2022-04-13

      受自然界的啟發,基于刺激響應行為的響應型水凝膠致動器在軟體機器人、柔性電子、生物醫學等領域得到了廣泛關注。水凝膠微致動器在顯微操作、微機器人、微流體、智能傳感器等領域的應用非常重要。然而,要實現水凝膠微致動器在微納尺度上的精確制備及可控操縱仍存在巨大的挑戰。 

      中科院理化所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭美玲研究員團隊,近期在4D刺激響應型仿生水凝膠微致動器的制備及應用方面取得新進展。團隊合成了刺激響應型光刻膠前驅體,并結合結構設計,采用飛秒激光直寫技術制備了4D刺激響應型水凝膠微結構。微米級水凝膠致動器不僅表現出快速的 pH 響應,而且還可以通過pH響應來調控微顆粒的捕獲和釋放行為。相關研究成果發表在Advanced Materials Technologies(https://doi.org/10.1002/admt.202200276 DOI: 10.1002/admt.202200276)。中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室的碩士研究生王健羽為論文的第一作者,金峰高級工程師、鄭美玲研究員為共同通訊作者。 

      刺激響應型水凝膠微致動器的設計與制備 

      飛秒激光直寫技術是實現響應型水凝膠結構微型化的重要手段。該技術采用飛秒激光作為光源,激光束經物鏡聚焦到光刻膠中,基于非線性光學效應,聚合反應僅發生在光子數密度極高的中心區域,因此,具有高精度、真三維的特點。作者利用刺激響應型光刻膠,通過優化飛秒激光直寫參數及激光加工路徑,獲得了響應行為可控的4D水凝膠微結構。通過改變激光加工參數來調節水凝膠微結構局部區域的交聯密度,從而獲得可控的pH響應行為,變形時間短至1.2秒,恢復時間為0.3秒。在此基礎上,受捕蠅草捕獲行為的啟發,設計并加工了仿生不對稱水凝膠微致動器,通過pH觸發,實現和調節了其形狀變化,成功地捕獲了單個或多個微顆粒,并可控地實現了微顆粒的同時釋放或順次釋放。 

    水凝膠微致動器對于雙微粒的可控釋放 

      研究團隊對仿生水凝膠微致動器的控制操縱將增加精確捕獲和釋放微小物體的潛力,使智能水凝膠微致動器的制備成為可能。這種微致動器在軟體機器人、微傳感器和微電子機械系統(MEMS)等研究領域具有潛在的應用。 

      該工作是研究團隊前期一系列3D仿生水凝膠工作的深入和拓展(ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 27796–27805; 2019, 11, 1782–1789; 2017, 9, 42247–42257. Nanomaterials 2021, 11, 2325;Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273–280. J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039)。相關研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金、中國科學院國際伙伴計劃等項目的大力支持。 

      論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202200276 

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