企業(yè)微信

全球服務(wù)

400 850 2017

新聞中心News Center

基于光技術(shù)的3D打印水凝膠微流控設(shè)備中的進(jìn)展材料與應(yīng)用

2024-10-12

一、引言

本文回顧了基于光技術(shù)的3D打印水凝膠在微流控設(shè)備中的最新進(jìn)展，著重關(guān)注了研究人員在過(guò)去十年于基于光的3D打印技術(shù)、智能響應(yīng)材料和功能化微流控設(shè)備方面所付出的努力及取得的成就。

二、基于光技術(shù)的3D打印水凝膠在微流控設(shè)備中的進(jìn)展綜述

1.總體情況

智能響應(yīng)材料涵蓋化學(xué)、溫度、光、磁、電和機(jī)械觸發(fā)模式，能使微流控設(shè)備運(yùn)行并對(duì)環(huán)境變化（如變形和運(yùn)動(dòng)）作出響應(yīng)。這些具備增強(qiáng)的可調(diào)性和環(huán)境適應(yīng)性的智能設(shè)備達(dá)到了預(yù)期，已在微/納米尺度操作、靶向藥物輸送和細(xì)胞運(yùn)輸、環(huán)境傳感、可調(diào)光學(xué)以及活性支架等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文還探討了研究界當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來(lái)的研究方向，以進(jìn)一步推動(dòng)這些微流控設(shè)備在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用。

2.激光燒結(jié)3D打印技術(shù)

與擠出和噴墨3D打印技術(shù)相比，基于光聚合的3D打印技術(shù)在精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模能力方面更具優(yōu)勢(shì)。截至目前，基于光聚合的3D打印方法主要包括立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）、雙光子聚合（TPP）和體積增材制造（VAM）。部分?jǐn)D出3D打印的研究基于光聚合處理，但擠出光聚合3D打印的精度受噴嘴尺寸和材料流變性能限制，難以與上述幾種基于光的打印技術(shù)相媲美。此外，已有眾多綜述對(duì)擠出光聚合3D打印進(jìn)行了總結(jié)，所以本綜述聚焦于SLA、DLP、CLIP、TPP和VAM技術(shù)。

SLA是1984年開(kāi)發(fā)的首個(gè)基于光聚合的3D打印技術(shù)，被認(rèn)為是市場(chǎng)上最精確的3D打印工藝之一。通常情況下，SLA以激光作為光源，激光束掃描可水平移動(dòng)的樹(shù)脂，使材料逐層固化（圖2a）。SLA打印過(guò)程需耗費(fèi)時(shí)間測(cè)量和控制樹(shù)脂液位并刮平，致使整體打印速度較低。為提升3D打印速度，基于數(shù)字微鏡器件（DMD）作為主要光束調(diào)節(jié)器的DLP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；該技術(shù)利用掩模每次投影并固化一層光敏樹(shù)脂，通過(guò)層層累積獲取3D結(jié)構(gòu)（圖2b）。DMD具有高開(kāi)關(guān)速度和分辨率，可確保高加工精度和加工速度。DLP技術(shù)已展現(xiàn)出改進(jìn)的性能和應(yīng)用前景，在組織工程、生物醫(yī)學(xué)、超材料、微光學(xué)器件和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

3.各類響應(yīng)水凝膠

化學(xué)響應(yīng)水凝膠

化學(xué)響應(yīng)水凝膠通常通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中引入離子基團(tuán)來(lái)響應(yīng)溶劑、離子濃度和pH值。當(dāng)水凝膠同時(shí)含有親水和疏水基團(tuán)時(shí)，置于液體中的親水部分會(huì)吸收水分子并呈膨脹狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致水凝膠形狀改變。Zhao等人報(bào)道了一種通過(guò)多層數(shù)字光處理（DLP）打印技術(shù)制備的親水疏水復(fù)合水凝膠，其結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)形狀變化，如波浪環(huán)、螺旋帶和彎曲的葉子（圖3a）。此外，離子響應(yīng)是廣泛應(yīng)用的刺激響應(yīng)模式，高度依賴于水凝膠對(duì)液體離子濃度的敏感性?；?/span>PSPMA的水凝膠結(jié)構(gòu)可隨離子強(qiáng)度變化呈現(xiàn)可逆的形狀變化特征，水凝膠結(jié)構(gòu)能隨離子濃度變化在兩種形狀間可逆切換（圖3b）。而且，pH響應(yīng)水凝膠是最常見(jiàn)的化學(xué)響應(yīng)水凝膠類型之一，其聚合物主鏈上帶有離子（陰離子或陽(yáng)離子）基團(tuán)。在合適pH值的水介質(zhì)中，離子基團(tuán)電離產(chǎn)生電荷，使水凝膠膨脹或收縮。重要的是，pH值的微小變化能引起聚合物網(wǎng)絡(luò)晶格尺寸的顯著改變。

溫敏水凝膠（圖4：使用溫敏水凝膠通過(guò)光打印的微觀結(jié)構(gòu)，此處可根據(jù)具體內(nèi)容進(jìn)一步闡述溫敏水凝膠的特性、制備及應(yīng)用等方面，若原文無(wú)更多相關(guān)信息，可簡(jiǎn)單提及其在微流控設(shè)備中的作用等）

光響應(yīng)水凝膠

光響應(yīng)水凝膠也是構(gòu)建微型設(shè)備的常用材料。這些設(shè)備的光響應(yīng)機(jī)制主要由光致異構(gòu)化/電離和納米粒子的光熱轉(zhuǎn)換組成。偶氮苯是常見(jiàn)的光致異構(gòu)化單元之一，在紫外光到近紅外光刺激下可在反式/順式結(jié)構(gòu)間切換?；诠鉄嵝?yīng)的光響應(yīng)水凝膠需在其網(wǎng)絡(luò)中添加金納米棒、石墨烯和碳納米管等各種光子吸收材料。光熱效應(yīng)是指光熱材料在光照射下從基態(tài)快速躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后返回基態(tài)，能量以熱的形式耗散?；诠獾?/span>3D打印技術(shù)已開(kāi)發(fā)出微觀到厘米級(jí)的微型光響應(yīng)設(shè)備。使用SLA技術(shù)，超快光響應(yīng)形狀記憶水凝膠用于構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)（圖5a），結(jié)構(gòu)的變形程度和角度可通過(guò)不同打印灰度級(jí)別控制。此外，將金納米棒摻入水凝膠中，展示出光驅(qū)動(dòng)的微凝膠轉(zhuǎn)子。含有氧化石墨烯的雙層水凝膠對(duì)近紅外光也快速響應(yīng)，光熱模式使水凝膠雙層快速加熱并扭曲（圖5b）。特別地，TPP還可用于構(gòu)建微觀尺度的3D光響應(yīng)結(jié)構(gòu)，與較大結(jié)構(gòu)（毫米到厘米）相比，微觀結(jié)構(gòu)將其光熱響應(yīng)時(shí)間縮短至不到1秒。Deng等人使用飛秒激光直寫在各種復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻摻雜單壁碳納米管（SWCNTs），在近紅外（70mW）照射下可在300毫秒內(nèi)變形。作為演示，構(gòu)建了微型3D人造心臟，并通過(guò)光刺激驗(yàn)證了起搏過(guò)程（圖5c）。

磁響應(yīng)水凝膠

磁刺激是一種無(wú)線、精確且無(wú)害的方法，在微型設(shè)備中具有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，已為醫(yī)療機(jī)器人、柔性電子和生物傳感器等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了各種磁響應(yīng)設(shè)備。當(dāng)向水凝膠網(wǎng)絡(luò)中添加磁性顆粒時(shí)，磁場(chǎng)不僅觸發(fā)形狀變化，還賦予設(shè)備強(qiáng)大的移動(dòng)性?？赏ㄟ^(guò)填充Fe3O4納米顆粒、Ni納米顆粒和NdFeB顆粒等各種磁響應(yīng)顆粒獲得磁響應(yīng)水凝膠。Xia等人通過(guò)填充NdFeB微粒（5μm）開(kāi)發(fā)了毫米級(jí)的磁響應(yīng)軟機(jī)器人LarvaBot（圖6a），LarvaBot為理解蚊子幼蟲的敏捷運(yùn)動(dòng)提供了平臺(tái)，并為其他無(wú)束縛游泳機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、步態(tài)選擇和路徑規(guī)劃提供信息?？删幊檀呕刮⑿驮O(shè)備具有從二維到三維的復(fù)雜響應(yīng)變形自由度。Diller的研究小組提出衍生數(shù)字光處理（DLP）打印技術(shù)，以逐層編程硬磁材料的取向，制造具有不同磁化的設(shè)備。打印的之字形彈簧和蜈蚣可用作可調(diào)節(jié)的光學(xué)框架和柔軟的爬行機(jī)器人（圖6b）。此外，主要由TPP技術(shù)構(gòu)建的微觀尺度磁響應(yīng)設(shè)備也備受研究關(guān)注。Dong等人使用TPP在水凝膠中構(gòu)建3D微型游泳者，用于神經(jīng)細(xì)胞的靶向遞送和分化，這些微型游泳者在細(xì)胞遞送后表現(xiàn)出高生物相容性和生物降解性（圖6c）。值得注意的是，類似的磁響應(yīng)微型機(jī)器人已被制造用于細(xì)胞毒性測(cè)試。除單個(gè)磁響應(yīng)微型設(shè)備外，TPP技術(shù)還可用于構(gòu)建由多個(gè)磁響應(yīng)微型設(shè)備組成的微型致動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)。圖6d顯示了一個(gè)由磁…組成的微型致動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)。

電響應(yīng)水凝膠

電場(chǎng)是廣泛使用的刺激，能觸發(fā)水凝膠的形狀變形。其機(jī)制是這些水凝膠中的聚合物鏈帶有大量離子基團(tuán)，當(dāng)在水凝膠兩側(cè)施加電壓時(shí)，帶電離子和反離子在電泳作用下向相反方向遷移，導(dǎo)致水凝膠內(nèi)部形成離子濃度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生不同的水凝膠滲透壓。滲透壓差異使水凝膠膨脹程度不同，最終導(dǎo)致其彎曲和變形。通過(guò)DLP技術(shù)制造的類人微型機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，也使靜電驅(qū)動(dòng)的行走運(yùn)動(dòng)成為可能（如圖7a所示）。除離子遷移外，生物水凝膠的電致收縮也被視作一種刺激模式。由于骨骼肌能響應(yīng)電刺激收縮提供動(dòng)力，構(gòu)建以骨骼肌細(xì)胞為生物機(jī)器人的水凝膠是靶向藥物輸送、生物傳感器和藥物篩選平臺(tái)的候選者。如圖7b所示，研究人員已使用SLA3D打印優(yōu)化了電響應(yīng)水凝膠生物機(jī)械的幾何設(shè)計(jì)和材料性能。電場(chǎng)觸發(fā)生物機(jī)器人骨骼肌細(xì)胞的肌肉帶收縮，產(chǎn)生約156μm/s的凈位移。

4.光打印微型設(shè)備的功能

基于光的3D打印技術(shù)使構(gòu)建高精度和任意形狀的三維刺激響應(yīng)設(shè)備成為可能。在打印方法開(kāi)發(fā)和智能材料研究方面的持續(xù)努力，讓基于刺激響應(yīng)水凝膠的微型設(shè)備在科學(xué)和工程中得以應(yīng)用。本文重點(diǎn)關(guān)注用于貨物操作、靶向藥物輸送、細(xì)胞運(yùn)輸、活性支架、環(huán)境傳感和可調(diào)光學(xué)的刺激響應(yīng)微型設(shè)備。

刺激響應(yīng)水凝膠打印的微致動(dòng)器可操作各種尺度的貨物（從微米到厘米），不僅能操縱剛性材料，還能抓取和轉(zhuǎn)移細(xì)胞和精子等柔軟的生物材料。3D打印的溫度響應(yīng)抓取手能在受控的液體溫度下捕獲和運(yùn)輸空籠子（圖8a），當(dāng)液體溫度低于低臨界溶解溫度（LCST）時(shí)，抓取手在7秒內(nèi)關(guān)閉并握住約10毫米的貨物。除可在外部磁場(chǎng)中捕獲和運(yùn)輸貨物的系留抓取器（圖8b）外，磁響應(yīng)水凝膠還可用于制造無(wú)線抓取器，因其磁場(chǎng)控制靈活，磁性抓取器可抓取貨物并跨越障礙物。特別是微型貨物操作對(duì)微型設(shè)備而言是個(gè)挑戰(zhàn)，由TPP技術(shù)開(kāi)發(fā)的刺激響應(yīng)微致動(dòng)器可對(duì)微型貨物（包括顆粒和細(xì)胞）進(jìn)行受控的拾取和轉(zhuǎn)移。Zhang的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種pH響應(yīng)水凝膠微致動(dòng)器，能抓取直徑高達(dá)10微米的顆粒，顯微鏡和掃描電子顯微鏡圖像顯示了微致動(dòng)器的抓取過(guò)程（圖8c）。此外，Wu的團(tuán)隊(duì)提出動(dòng)態(tài)貝塞爾TPP處理方法制造pH響應(yīng)水凝膠微抓取器，這些抓取器可原位捕獲神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）（圖8d）。另外，Ma等人提出基于芯片的TPP技術(shù)，用于在芯片上連續(xù)制造兩種光敏材料，通過(guò)微流控芯片完成。一個(gè)合成…（此處可根據(jù)后續(xù)內(nèi)容進(jìn)一步完善關(guān)于該合成的相關(guān)描述或說(shuō)明其意義等，若原文無(wú)更多信息，可暫留懸念或簡(jiǎn)單提及其在該領(lǐng)域的潛在價(jià)值等）

三、結(jié)論

本文對(duì)基于光技術(shù)的3D打印水凝膠在微流控設(shè)備中的多方面進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)闡述，包括不同類型的響應(yīng)水凝膠及其特性、相關(guān)打印技術(shù)以及光打印微型設(shè)備的功能和應(yīng)用等。同時(shí)也指出了當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)，并為未來(lái)研究方向提供了一定的思考，這對(duì)于推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義，有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更廣泛和更高效的應(yīng)用，為眾多領(lǐng)域帶來(lái)新的突破和發(fā)展機(jī)遇。（此處結(jié)論部分可根據(jù)原文整體意圖及后續(xù)可能的研究方向等進(jìn)行更深入的拓展和總結(jié)，若原文無(wú)明確指向，可先給出一個(gè)較為寬泛的結(jié)論框架，以待進(jìn)一步完善）

end