作为一类人造功能器件，微型机器人的尺寸从几百纳米到几厘米不等，它能在复杂环境尤其是在生物体内自主运动，并能实现一些特定功能比如药物运输、疾病监测、微创手术、组织修复等。
大型机器人很容易就能集成驱动单元和功能模块。而微型机器人由于尺寸受限，在多功能化方面困难重重。
多年来，德国马普所智能系统研究所梅廷·斯蒂（Metin Sitti）教授实验室，主要聚焦于微型机器人的设计、制造、功能化以及生物应用研究。
最近几年，他们一直在构思发展一种通用的制备方法来集成多功能材料，以便按需制备多功能的微纳机器人。
三维打印技术能够制备任意的三维结构，目前已被广泛用于制备微型机器人。
其中，双光子聚合技术凭借超高精度和灵活的三维加工能力而受到关注。
然而，该技术高度依赖于特定单体的双光子聚合反应，其所能打印的材料往往局限于高分子材料。
因此，所制备的结构在功能上也比较单一，而且大多表现为特定刺激响应的变形行为。
要想设计多功能的微纳机器人，就得打印出功能多样的非聚合物材料，比如金属氧化物、金属、量子点和陶瓷等。
基于此，该课题组发展出一种普适性的多材料三维微纳制造技术。
其中，要想让纳米材料在微纳结构上实现均匀、且致密的沉积，微量盐的存在是一个重要因素。
实验前期，研究人员一度忽略了这个因素，也是一次偶然的机会才发现了它的重要性。
由于实验中所使用的纳米颗粒，都是直接从市面上购买的。商家为了保持颗粒的稳定性，往往会在溶液中添加一些分散剂来避免纳米颗粒发生团聚。
因此在使用之前，该团队都会对其进行离心操作并除去上清液，一是为了减少未知因素对实验结果的影响，二是为了提高颗粒浓度从而减少实验时间。
在进行概念验证的时候，为了节省实验时间，研究人员只针对颗粒进行了一次离心操作。
由于原始溶液中的分散剂本身浓度就很低，当去除上清液、再加入调配好的实验溶液后，分散剂浓度又被稀释了至少 1000 倍。
基于此，研究人员认为一次离心操作足以保证它不会对实验结果产生重要影响。结果也正如预想的一样，纳米颗粒均匀且致密地覆盖了整个结构。
当研究人员完成概念验证之后，准备收集实验数据时，为了保持实验的严谨性，其针对所有纳米颗粒都进行了至少 3 次离心操作。
然而，这次的实验结果却非常出乎意料，虽然纳米颗粒依然均匀分散在结构上，但却是以一种相对离散的状态存在。
其中，大量的聚合物骨架裸露在外，类似于斑马身上黑（纳米颗粒）白（聚合物骨架）相间的斑纹。
为此，课题组保持同样的实验操作，并重复了几次实验，但得到的都是一样的结果。
相比得到良好结果的实验操作，上述实验只有离心次数不一样。由此，研究人员不禁怀疑是否是纳米颗粒溶液中原始的痕量分散剂影响了实验结果？
于是，研究人员仔细查阅了原始溶液中分散剂的浓度，并估算出离心 1 次、且加入实验溶液稀释后的分散剂浓度。
随后，通过在离心 3 次后的溶液中加入同样浓度的分散剂后，成功得到了均匀且致密的沉积。由此，课题组确定了溶液中微量盐对实验结果的影响。
日前，相关论文以《用于三维微/纳米制造的增材制造支架上的各种纳米材料的毛细管捕获》（Capillary trapping of various nanomaterials on additively manufactured scaffolds for 3D micro-/nanofabrication）为题发在Nature Communications[1]。
吕相龙是第一作者，德国马普所智能系统研究所的张明超博士和梅廷·斯蒂（Metin Sitti）教授担任共同通讯作者。
总的来说，研究人员利用毛细力捕获策略，在预先打印出的三维微纳米框架上沉积各种纳米材料，以此来实现多种材料、尤其是实现非聚合物材料的三维微纳制造。
通过此，他们为制备多功能微纳器件、尤其是为制备微纳机器人奠定了基础。
不同于传统的物理气相沉积技术，这种利用毛细力实现多种纳米材料在微纳结构上的组装，是一个相当新颖且简单的思路。
在此基础之上，通过选取不同的功能材料、以及调控它们的集成顺序，就能制备各种各样的微纳功能器件，比如制备超材料和光子学器件等。
该团队表示，本次成果在制备多功能微纳机器人上拥有巨大潜力。比如，通过选取合适的功能材料沉积，可以设计出兼具多场驱动能力、以及多功能集成的微纳机器人。
一方面，这能提高微纳机器人在复杂环境中的运动能力，另一方面还能实现一种微纳机器人的多场景应用。
接下来，他们希望在微纳米机器人领域应用该技术，以期制备集多驱动方式和功能为一体的智能微纳米机器人。
并将继续探索其在生物医学方面的应用，比如探索靶向载药及可控释放、细胞刺激、光热治疗等应用。
参考资料：
1.Lyu, X., Zheng, Z., Shiva, A.et al. Capillary trapping of various nanomaterials on additively manufactured scaffolds for 3D micro-/nanofabrication.Nat Commun15, 6693 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51086-2
运营/排版：何晨龙
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