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理化所飛秒激光直寫3D仿生響應型水凝膠微致動器研究獲進展

發布時間：2022/4/15 10:09:44編輯：Ma Liang
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　　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頗為重要。然而，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頗具挑戰性。

　　近日，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研究員鄭美玲團隊在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。研究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出4D刺激響應型水凝膠微結構。微米級水凝膠致動器表現出快速的pH響應，還可通過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上。

　　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。研究利用刺激響應型光刻膠，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。研究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，科研人員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，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。

　　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價值。

　　該成果是科研團隊前期一系列3D仿生水凝膠工作的拓展（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）。研究工作得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家自然科學基金面上項目、中科院國際伙伴計劃等的支持。