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中國科大胡衍雷教授、吳東教授團隊 Nat. Commun.：實現(xiàn)飛秒激光制造用于多樣化液滴操縱的磁響應(yīng)“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(xì)化學(xué)和生物醫(yī)療檢測等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。從實用角度出發(fā)，有效的液滴操縱技術(shù)需要多功能集成及多尺度適用性。近年來，磁激勵憑借其遠(yuǎn)程可控、生物安全性好、對環(huán)境透射率和基底電荷不敏感等優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于液滴操縱領(lǐng)域。然而，如何進一步擴展磁響應(yīng)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(zhàn)。

鑒于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(yīng)雙面神折紙機器人，實現(xiàn)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(fā)與按需釋放、攪拌以及遠(yuǎn)程加熱。同時，這種操縱策略的高穩(wěn)定性賦予了其跨尺度液滴操縱能力，可以實現(xiàn)對~3.2 nL到 ~51.14 μL體積范圍內(nèi)液滴的多樣化操縱。相關(guān)成果以“Magnetic Janus origami robot for cross-scale droplet omni-manipulation”為題發(fā)表在Nature Communications上（Nat. Commun. 14, 5455 (2023)）。

圖1. 磁響應(yīng)雙面神折紙機器人及其多功能液滴操縱應(yīng)用。

磁響應(yīng)雙面神折紙機器人為矩形薄片狀結(jié)構(gòu)，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(tài)，而下表面則為疏水高液滴黏附狀態(tài)。同時，機器人的上表面還設(shè)計了兩條折痕，以使機器人與液滴相接觸時，可以在毛細(xì)力的作用下沿著折痕自發(fā)包裹液滴。機器人整體輪廓、折痕和表面微納功能結(jié)構(gòu)的加工和改性均由飛秒激光掃描而成。磁響應(yīng)雙面神折紙機器人可以實現(xiàn)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(xiàn)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(fā)出子液滴（圖1c），并通過折疊擠壓以及可控翻轉(zhuǎn)釋放出子液滴（圖1d）。機器人也可以在磁場作用下旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)液體的可控混合，并結(jié)合其光熱特性實現(xiàn)遠(yuǎn)程加熱（圖1e, f）。

動圖1. 磁響應(yīng)雙面神折紙機器人包裹并運輸液滴。

圖2. 基于磁響應(yīng)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(yīng)雙面神折紙機器人可以實現(xiàn)類似于商業(yè)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(qū)動下快速旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)生光熱效應(yīng)，實現(xiàn)對液滴的遠(yuǎn)程加熱。加熱溫度可以達到80 ℃以上。結(jié)合光熱特性和磁控旋轉(zhuǎn)，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人能有效實現(xiàn)高粘度液體（甘油）的快速混合（圖2d-f）。

動圖2. 磁響應(yīng)雙面神折紙機器人用于實現(xiàn)液滴快速混合。

在實現(xiàn)多樣化液滴操縱的基礎(chǔ)上，磁響應(yīng)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(xiàn)連續(xù)的液滴操縱目標(biāo)。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(fā)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(xiàn)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(yīng)用于微化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，實現(xiàn)液體樣品的精確采樣、快速反應(yīng)以及反應(yīng)物的及時檢測（圖2h）。此外，憑借穩(wěn)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(yīng)雙面神折紙機器人進行表面修飾，并結(jié)合其多樣化的液滴操縱功能，成功實現(xiàn)了核酸的提取和純化（圖3）。

總之，磁響應(yīng)雙面神折紙機器人可以實現(xiàn)多樣化的跨尺度液滴操縱，對精細(xì)化工、醫(yī)療診斷和微流體技術(shù)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(yīng)的領(lǐng)域具有重要意義。

圖3. 基于磁響應(yīng)雙面神折紙機器人的核酸提取與純化應(yīng)用。

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

該工作是團隊近期關(guān)于磁響應(yīng)液滴操縱相關(guān)研究的最新進展之一。如何提升磁響應(yīng)液滴操縱的靈活性一直是當(dāng)前研究的重點，為此團隊發(fā)展了多種磁響應(yīng)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(yīng)液滴操縱的速度，擴展了操縱的空間維度，并成功將磁響應(yīng)操縱策略從單相（液相）擴展到了三相（液相、固相和氣相）物質(zhì)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(zé)任編輯：xu）

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