諾貝爾獎(jiǎng)得主理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼曾在1959年率先提出利用微型機(jī)器人治病的想法，用他的話說，就是將“外科醫(yī)生”吞下。隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，加工這些可以被吞下的“外科醫(yī)生”成為現(xiàn)實(shí)，人們通常把這些“外科醫(yī)生”稱為人造微納機(jī)器人。受自然界微生物自由運(yùn)動啟發(fā)，人造微納機(jī)器人近些年得到了廣泛的關(guān)注與研究，通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅(qū)動這些微納機(jī)器人，在無創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物運(yùn)輸和生物傳感檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在多種驅(qū)動方案中，磁場驅(qū)動可以無線式精確操縱微納機(jī)器人，改變外部磁場梯度和方向，會對微納機(jī)器人施加力和力矩，進(jìn)而使其沿著期望的軌跡運(yùn)動。

圖1 調(diào)制三維渦旋光場加工空心管狀與錐形螺旋結(jié)構(gòu)

在上述工作中，研究人員設(shè)計(jì)具有特殊相位信息的光場全息圖，并將其加載于空間光調(diào)制器面板上，調(diào)制出的三維渦旋光場可用于高效加工空心管狀和錐形螺旋結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的激光直寫加工（DLW），光場加工速度最快提高了600倍。除此之外，利用該方法也可以靈活可控地加工出不同參數(shù)的管狀與螺旋結(jié)構(gòu)，大大提高了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工能力。

圖2 錐形空心螺旋加工與磁場驅(qū)動

其次，利用如圖2所示的錐形空心螺旋結(jié)構(gòu)，并在其表面加入磁性響應(yīng)材料。采用自行搭建的三維亥姆霍茲線圈控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)輸入電流的相位信息在三維空間內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)磁場，磁場方向的改變使磁性結(jié)構(gòu)受到磁力矩作用，進(jìn)而完成有效驅(qū)動。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)錐形螺旋相比于傳統(tǒng)的直螺旋結(jié)構(gòu)具有更快的前進(jìn)速度，并有效抑制了橫向漂移運(yùn)動。

圖3 磁場精確驅(qū)動空心錐形螺旋與管狀結(jié)構(gòu)

除此之外，利用磁場梯度和方向的變化可以有效完成微結(jié)構(gòu)的精確導(dǎo)向，空心錐形螺旋在旋轉(zhuǎn)磁場下完成各種復(fù)雜圖案化軌跡運(yùn)動（如圖3所示），空心管狀結(jié)構(gòu)在梯度磁場下完成SiO2微球的裝載、運(yùn)輸、排列與釋放。

圖4 空心微螺旋與管狀結(jié)構(gòu)分別用于神經(jīng)干細(xì)胞移植與靶向藥物運(yùn)輸治療腫瘤

最后，研究人員利用錐形空心螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部分別裝載納米及微米級貨物，并在體外完成了神經(jīng)干細(xì)胞的移植；利用管裝微結(jié)構(gòu)裝載運(yùn)輸抗癌藥物（DOX）對癌細(xì)胞（Hela）進(jìn)行有效治療，并通過熒光驗(yàn)證治療效果。這些工作提出了簡單穩(wěn)定的空心管狀、錐形螺旋微電機(jī)加工操縱技術(shù)，在細(xì)胞移植、體內(nèi)藥物運(yùn)輸、無創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，為相關(guān)生物醫(yī)療領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。

工程科學(xué)學(xué)院博士生辛晨、楊亮為論文的第一作者，吳東教授和胡衍雷副教授為論文的共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金重大儀器、中國科學(xué)院和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

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