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3D打印微型鱼:生物医学爆发大革命

  今年3月份,有媒体曾经报道了英国科学家在使用3D打印技术开发微型机器人方面获得的进展,他们成功地3D打印出了微米级机器人——微游泳者(microswimmer),这种微型机器人能够在人体内运动,甚至可以携带“货物”。无独有偶,近日,美国加州大学的研究人员也开发出了一种3D打印的智能微机器人——微型鱼(microfish)。研究人员称,这种“微型鱼”可以被注射到血液中执行复杂的特定医疗任务,比如作为传感器、解毒、定向给药等等。

  该研究项目由加州大学圣地亚哥分校纳米工程系陈绍琛教授和Joseph Wang教授领导,结果发表在《先进材料》杂志(8月12日发行)上。

  这些迷人的微型鱼堪称生物医学的一次革命。它们本质上是一种复杂的、略呈鱼形,能够在液体中高效游泳的机器人。这些微型鱼主要通过过氧化氢化学供电,也可以通过磁性控制。

  为了证明它们的能力,研究人员还进行了一系列有趣的演示。研究人员往微型鱼体内注入了带毒素的纳米粒子,然后将其与聚二乙炔(PDA)纳米颗粒混合在一起,后者能够捕获有害的成孔毒素(pore-forming)。在测试过程中,他们发现,微型鱼快速而有效地清理了自己身上的毒素——这一过程之所以可见,是因为PDA纳米颗粒在结合毒素分子时会发亮并发出红色的荧光。

  显然,这仅仅是这些3D打印微型鱼许多可能的应用之一。“这个实验清楚地表明了,微型鱼可以作为一种更加有效地解毒系统和毒素传感器。”研究人员称,“另外一个令人兴奋的应用是将药品封装在微型鱼体内,并将其用于药物的定向释放。”

  您可能会说,如今很多科学家都已经研发出了各种微型机器人,这些微型鱼的特别之处在哪里?首先,是的,现在全球科学实验室里出现了各种微型机器人,但是这些微型机器人的运动系统都是基于微型射流发动机、微型钻机和微型火箭的。而且这中间的大部份是无法执行复杂任务的,因为它们通常是很基本的球形或圆柱形结构。此外它们还是无机同质物体。

  相比之下,该项目制造的微型鱼的能力要大得多。研究人员能够将功能纳米颗粒进入其身体的某些部分,并且将铂纳米颗粒装在它的尾巴上,使其与过氧化氢反应以推动身体向前运动。同时把磁性氧化铁纳米颗粒安装在鱼头部,通过磁性控制其运动方向。“通过从大自然中获得的灵感,我们已经开发出了一种全新的方法来设计出一种比人的头发丝还细、但是具有复杂几何结构的微游泳者。根据这种方法,我们能够轻松地在这种微机器人的内部集成不同的功能,使其具有非常广泛的应用范围。”该论文的共同第一作者Wei Zhu说。

  那么,这些微型鱼是如何3D打印出来的?主要依靠由陈绍琛教授团队开发出来的一种3D打印制造工艺——微型连续光打印(或μCOP)。该技术非常快速、可扩展、精确和灵活,只需几秒钟即可3D打印出数百条微型鱼,每个都有120微米长、30微米厚。而且,通过计算机,他们可以尝试赋予它们某些水生生物的形状,比如鲨鱼和蝠鲼等。“使用这种3D打印技术,我们可以不仅仅局限于鱼的形状,也可以根据其他生物的形状快速构建微型机器人,比如鸟类。”研究人员称。

  据了解,这种新型的3D打印技术是基于数字微镜阵列器件(DMD)芯片的,该包含两百万微镜。每个都由一种算法单独控制,根据希望的鱼形图案进行UV光投射。随后这些感光材料就像在SLA 3D打印过程中那样,逐层曝光固化形成微型鱼。“这种方法使得我们更容易测试这些微型机器人的不同设计方案,并尝试将拥有不同功能元素的纳米粒子加入到这些微小的结构中。并在此基础上进一步研究,最终开发出运行更安全、更精确的手术微型机器人。”研究人员说。

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