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科学家3D打印微米级机器鱼可在人体内自由游动

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发表于 2015-6-30 14:05:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
      许多未来学家设想在不远的将来,人类就有能力往自己的体内投放微型机器人,这些机器人能够在我们的血液里游泳,保护我们免遭毒素伤害,通知我们体内的问题,并寻找有害的疾病和病原体当场摧毁。当然,要真正实现这一场景,科学界还有很长的路要走,但我们确实在朝着这个方向努力。

        事实上,加州大学纳米工程系的科学家们最近发表在《Advanced Materials》上的一篇论文让我们看到了这个方向的曙光。该论文题为《3D打印人造微型鱼(3D-Printed Artificial Microfish)》,详细描述了如何进一步开发这种微观机器人,使其能够在人体内定向传递药物,或者用于其它应用,比如快速净化环境等。

         虽然目前出于各种目的,科学家们已经设计了许多方法用于创建纳米机器人,但是作者指出,在大多数情况下,这些机器人往往使用的是无机材料,而且形状极其简单,无法实现复杂的功能。因此,他们已经开始着手创建更为复杂的纳米机器人,他们称之为微型鱼(microfish),顾名思义,这种机器人具有在生物和非生物液体中游泳的能力。

        为了要做到这一点,他们已经开发出一种纳米级的快速3D打印技术,他们称之为微尺度连续光打印(µCOP,Microscale Continuous Optical Printing)。
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微型鱼的电子显微镜图像:a)微型鱼排成整齐的阵型;b)各种尺寸的微型鱼;c-h)科学家设计的各种微型鱼形状:分别是小鱼、鲨鱼和蝠鲼。比例尺,50微米。

    “该µCOP技术提供了高效的制造速度,性能方面也有所提升,包括精细度的增加、对制造原料的要求也没那么苛刻等。”研究人员在论文中写道,“为了能够以一种经济和可扩展的方式3D打印出精细而逼真的人造微型鱼,我们优化了该µCOP系统,制造出能够自由游动的微型鱼以用于概念验证,这种微型鱼由基于聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)的水凝胶和功能纳米颗粒组成。”

    通过这种3D打印技术,科学家们能够使用三种不同的功能性纳米粒子制造出微型机器鱼,包括氧化铁(可通过磁性引导微型鱼)、铂(可通过化学引导机器鱼),和聚二乙炔(PDA,可用于中和有害的毒素)。通过3D打印微型鱼的机构,可以实现纳米机器人的定制,以满足科学家预期的目的。

   微尺度连续光打印µCOP)技术主要依赖一种数字微镜装置(DMD)芯片,并使用大约2百万个微型反射镜,将UV光投射到光聚合物材料上,采用类似DLP SLA3D打印技术,一次固化一层。这使得科学家们能够制造出各种形状的微型鱼(蝠鲼,鲨鱼等),而且其令人难以置信的小,只有120微米(长)×30微米(厚)。最重要的是,这些微型鱼只需几秒钟就能制造出来。

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    “要优化这些微型鱼的游泳能力就需要精确地控制它们的形状和大小。”研究人员解释说:“我们的µCOP平台能够打造各种复杂的3D几何形状,可以实现微型鱼各种设计的高效迭代。”


   研究人员还能够将其他纳米材料与PEGDA树脂混合在一起,比如磁性铁氧化物,以及催化铂等。在该论文详述的实验中,他们能够将氧化铁打印到微型鱼的头部,把催化铂打印到其尾部,从而能够精确地控制鱼的运动。通过使用过氧化氢,它们可以与铂纳米微粒产生化学反应,从而作为燃料推动微型鱼前进,而铁氧化物的磁性可以控制其转向。同时,根据打印不同形状的微型鱼,以及调整过氧化氢的使用量,研究人员能够以控制微型鱼在液体中游泳的速度

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   科学家们称,用来3D打印该水凝胶结构的PEGDA材料已被证明形状极其稳定,从而能够将铁氧化物和铂纳米颗粒固定在指定的位置。研究人员已经能够将这些微型鱼放入过氧化物溶液中游泳长达2小时,并说,这些鱼能够在室温下存放长达一个星期。


    虽然此项研究室围绕着铁氧化物和铂的纳米颗粒来实现运动的控制。但是研究人员指出,其它纳米颗粒也可以被用作燃料,比如银、铱、二氧化锰、过氧化氢酶等。研究人员的下一步计划是利用微型鱼的周围环境,例如水或生物流体等,作为其燃料来源。

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