科学家一直在研究微米级致动器，这类装置或许有朝一日能够将药物或化学传感分子运送到人体内的特定位置。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员如今在此类微型装置的研发方面迈出了关键一步：新的制造技术和新材料使他们能够制造各种形状的微型致动器，并针对未来应用进行优化。
这些细长的致动器元件能够在液体中移动，呈螺旋形，并具有磁性。它们由外部旋转磁场驱动，会沿磁力线排列，并绕其纵轴旋转。由于其螺旋形状，它们能够在液体中向前游动。
采用传统制造技术时，这些微型物体的磁性取决于装置本身的形状。苏黎世联邦理工学院微纳系统教授 Christofer Hierold 团队的博士生 Christian Peters 解释说，这一限制使研究人员难以开发出控制精准、方向稳定的致动器：“过去，这些元件向前移动时会摇摆，而且由于磁性并不理想，效率较低。如今，我们开发出一种材料和制造技术，可以不受物体几何形状影响地调节其磁性。”
微观3D打印机
科学家采用了一种光敏、生物相容性环氧树脂，并在其中加入磁性纳米颗粒。在固化阶段的第一步，他们将这种材料的薄层置于磁场中。磁场使纳米颗粒磁化，促使颗粒重新排列成平行线。这些线的取向决定了材料的磁性。随后，研究人员通过双光子聚合，用改性环氧树脂薄膜制造出细长的微型结构。这种技术类似于一台微观3D打印机：激光束在计算机控制下于环氧树脂层内进行三维移动，使树脂在局部固化。之后，可用溶剂洗去未固化的区域。
借助这项技术，研究人员制造出长60微米、直径9微米的螺旋结构，其磁化方向垂直于纵轴。传统制造方法无法制造出具有这种磁性的物体，因为通常物体的磁化方向沿其纵轴，例如指南针的指针。新型致动器可以精准控制，游动速度接近以往元件的四倍，而且不会摇摆。
表面积更大的新形状
以往的微型致动器通常呈螺旋形（螺旋线圈状），但得益于微观3D制造技术，ETH 科学家得以制备经过改型的形状。他们在这项研究中制造了类似螺旋形扭曲带和双扭绞线的结构。测试表明，这些形状的游动速度与螺旋线圈状致动器相同，但其表面积是后者的两到四倍。机器人学与智能系统教授 Bradley Nelson 团队的研究助理 Salvador Pané 表示：“这使致动器在某些应用中更具吸引力。”
如果要让这类元件将药物或化学传感分子运送到人体内的特定位置，就必须在致动器上涂覆相应的分子。元件表面积越大，可运送的材料数量也越多。研究人员将抗体连接到螺旋马达表面，证明原则上可以用具有潜在生物医学用途的材料涂覆这些结构。
Peters 表示：“但这项技术并不只用于制造游动的微型机器人。其他微型物体在需要具备特定磁性时，也可以采用这项新技术。”Pané 补充说，这项工作是两位机械与过程工程系教授多年来在微系统技术和微型机器人领域合作研究的成果。Nelson 团队在磁性微型机器人的制造与应用方面拥有多年经验，而 Hierold 团队则擅长将新材料集成到微系统中。
合作发布： 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）
作者：Fabio Bergamin 在伯尔尼大学获得免疫学博士学位，是 News & Media Office 专业团队的一名科学编辑。
图片：可涂覆活性化合物的不同微型致动器示意图。Peters C 等，《Advanced Functional Materials》，2014年，经 Wiley 许可转载。
