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中國科大胡衍雷教授、吳東教授團隊 Nat. Commun.：實現飛秒激光制造用于多樣化液滴操縱的磁響應“雙面神折紙”機器人

2023-09-09 來源：高分子科技

對跨尺度液滴的多樣化操縱，在精細化學和生物醫療檢測等領域都有重要的應用前景。從實用角度出發，有效的液滴操縱技術需要多功能集成及多尺度適用性。近年來，磁激勵憑借其遠程可控、生物安全性好、對環境透射率和基底電荷不敏感等優勢已被廣泛應用于液滴操縱領域。然而，如何進一步擴展磁響應液滴操縱的功能，并將多樣化的液滴操縱功能從微升尺度擴展到納升尺度仍極具挑戰。

鑒于此，中國科學技術大學微納米工程實驗室胡衍雷教授、吳東教授團隊利用飛秒激光微納制造方法，制備了一種可用于跨尺度液滴操縱的磁響應雙面神折紙機器人，實現了多樣化液滴操縱功能的有效集成，包括液滴的三維運輸、合并、分裂、子液滴分發與按需釋放、攪拌以及遠程加熱。同時，這種操縱策略的高穩定性賦予了其跨尺度液滴操縱能力，可以實現對~3.2 nL到 ~51.14 μL體積范圍內液滴的多樣化操縱。相關成果以“Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation”為題發表在Nature Communications上（Nat. Commun. 14, 5455 (2023)）。

圖1. 磁響應雙面神折紙機器人及其多功能液滴操縱應用。

磁響應雙面神折紙機器人為矩形薄片狀結構，其示意圖及實物圖如圖1a，b所示。機器人的上下表面分別具有不同的潤濕特性，其上表面為超疏水低液滴黏附狀態，而下表面則為疏水高液滴黏附狀態。同時，機器人的上表面還設計了兩條折痕，以使機器人與液滴相接觸時，可以在毛細力的作用下沿著折痕自發包裹液滴。機器人整體輪廓、折痕和表面微納功能結構的加工和改性均由飛秒激光掃描而成。磁響應雙面神折紙機器人可以實現多樣化的液滴操縱功能。機器人通過翻滾主動靠近并包裹水滴，可以實現對水滴的可控運輸（圖1b，動圖1）。除此之外，機器人還可以通過定向翻滾與折疊從大液滴中分發出子液滴（圖1c），并通過折疊擠壓以及可控翻轉釋放出子液滴（圖1d）。機器人也可以在磁場作用下旋轉，實現液體的可控混合，并結合其光熱特性實現遠程加熱（圖1e, f）。

動圖1. 磁響應雙面神折紙機器人包裹并運輸液滴。

圖2. 基于磁響應雙面神折紙機器人的液滴攪拌、光熱攪拌以及多功能液滴操縱集成。

如前所述，磁響應雙面神折紙機器人可以實現類似于商業化磁力攪拌機的攪拌及加熱功能。如圖2a-c所示，機器人懸浮在液滴頂部，并在磁場的驅動下快速旋轉，可以對液滴進行高效混合。熒光分布圖清晰展示了攪拌過程中液滴的混合程度（動圖2）。利用近紅外激光照射機器人還可以產生光熱效應，實現對液滴的遠程加熱。加熱溫度可以達到80 ℃以上。結合光熱特性和磁控旋轉，磁響應雙面神折紙機器人能有效實現高粘度液體（甘油）的快速混合（圖2d-f）。

動圖2. 磁響應雙面神折紙機器人用于實現液滴快速混合。

在實現多樣化液滴操縱的基礎上，磁響應雙面神折紙機器人可以將多種液滴操縱功能有效集成，以實現連續的液滴操縱目標。如圖2g所示，機器人通過翻滾運動主動靠近綠色液滴并分發出一定體積的子液滴，隨后將子液滴定向運輸至紅色液滴附近以實現兩個液滴的合并，最終通過攪拌完成液滴的快速混合（動圖3）。這種多功能液滴操縱集成可以應用于微化學反應領域，實現液體樣品的精確采樣、快速反應以及反應物的及時檢測（圖2h）。此外，憑借穩定的液體操縱性能，多樣化液滴操縱集成還能夠有效擴展到納升尺度液滴上（圖2i）。

動圖3. 多樣化液滴操縱功能集成。

最后，作為概念驗證，他們通過對磁響應雙面神折紙機器人進行表面修飾，并結合其多樣化的液滴操縱功能，成功實現了核酸的提取和純化（圖3）。

總之，磁響應雙面神折紙機器人可以實現多樣化的跨尺度液滴操縱，對精細化工、醫療診斷和微流體技術等廣泛需要精確獲取和添加試劑、微液滴圖案化和快速微液滴反應的領域具有重要意義。

圖3. 基于磁響應雙面神折紙機器人的核酸提取與純化應用。

工程科學學院蔣紹軍博士為論文第一作者。通訊作者為中國科學技術大學胡衍雷教授、吳東教授和香港理工大學王立秋教授。論文的合作者還包括中國科學技術大學褚家如教授、李家文副教授、中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所朱靈研究員、中國科學技術大學第一附屬醫院沈佐君教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金、中國科學院青年創新促進會、科技部國家重點研發計劃等基金等項目的支持。

該工作是團隊近期關于磁響應液滴操縱相關研究的最新進展之一。如何提升磁響應液滴操縱的靈活性一直是當前研究的重點，為此團隊發展了多種磁響應液滴操縱策略（Advanced Materials, 2019, 31(15): 1807507；Nano Letters, 2020, 20(10): 7519-7529；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(37), 42264–42273；Langmuir, 2023, 39(27), 9358-9366.），提升了磁響應液滴操縱的速度，擴展了操縱的空間維度，并成功將磁響應操縱策略從單相（液相）擴展到了三相（液相、固相和氣相）物質的可控操縱（Advanced Functional Materials, 2022, 32(40): 2205831）。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41092-1

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（責任編輯：xu）

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