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中國(guó)科大胡衍雷教授、吳東教授團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：實(shí)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(jī)器人
2023-09-09  來(lái)源：高分子科技

  對(duì)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(cè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。從實(shí)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(lái)，磁激勵(lì)憑借其遠(yuǎn)程可控、生物安全性好、對(duì)環(huán)境透射率和基底電荷不敏感等優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于液滴操縱領(lǐng)域。然而，如何進(jìn)一步擴(kuò)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(kuò)展到納升尺度仍極具挑戰(zhàn)。


  鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納米工程實(shí)驗(yàn)室胡衍雷教授、吳東教授團(tuán)隊(duì)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(jī)器人，實(shí)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(yùn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)~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(jī)器人及其多功能液滴操縱應(yīng)用。


  磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人為矩形薄片狀結(jié)構(gòu)，其示意圖及實(shí)物圖如圖1a，b所示。機(jī)器人的上下表面分別具有不同的潤(rùn)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(shí)，機(jī)器人的上表面還設(shè)計(jì)了兩條折痕，以使機(jī)器人與液滴相接觸時(shí)，可以在毛細(xì)力的作用下沿著折痕自發(fā)包裹液滴。機(jī)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多樣化的液滴操縱功能。機(jī)器人通過(guò)翻滾主動(dòng)靠近并包裹水滴，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水滴的可控運(yùn)輸（圖1b，動(dòng)圖1）。除此之外，機(jī)器人還可以通過(guò)定向翻滾與折疊從大液滴中分發(fā)出子液滴（圖1c），并通過(guò)折疊擠壓以及可控翻轉(zhuǎn)釋放出子液滴（圖1d）。機(jī)器人也可以在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液體的可控混合，并結(jié)合其光熱特性實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加熱（圖1e, f）。


動(dòng)圖1. 磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人包裹并運(yùn)輸液滴。 


圖2. 基于磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于商業(yè)化磁力攪拌機(jī)的攪拌及加熱功能。如圖2a-c所示，機(jī)器人懸浮在液滴頂部，并在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下快速旋轉(zhuǎn)，可以對(duì)液滴進(jìn)行高效混合。熒光分布圖清晰展示了攪拌過(guò)程中液滴的混合程度（動(dòng)圖2）。利用近紅外激光照射機(jī)器人還可以產(chǎn)生光熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的遠(yuǎn)程加熱。加熱溫度可以達(dá)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(jī)器人能有效實(shí)現(xiàn)高粘度液體（甘油）的快速混合（圖2d-f）。


動(dòng)圖2. 磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人用于實(shí)現(xiàn)液滴快速混合。


  在實(shí)現(xiàn)多樣化液滴操縱的基礎(chǔ)上，磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人可以將多種液滴操縱功能有效集成，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的液滴操縱目標(biāo)。如圖2g所示，機(jī)器人通過(guò)翻滾運(yùn)動(dòng)主動(dòng)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(yùn)輸至紅色液滴附近以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液滴的合并，最終通過(guò)攪拌完成液滴的快速混合（動(dòng)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(shí)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(shí)檢測(cè)（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(kuò)展到納升尺度液滴上（圖2i）。


動(dòng)圖3. 多樣化液滴操縱功能集成。


  最后，作為概念驗(yàn)證，他們通過(guò)對(duì)磁響應(yīng)雙面神折紙機(jī)器人進(jìn)行表面修飾，并結(jié)合其多樣化的液滴操縱功能，成功實(shí)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多樣化的跨尺度液滴操縱，對(duì)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(jī)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(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)褚家如教授、李家文副教授、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所朱靈研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)第一附屬醫(yī)院沈佐君教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等基金等項(xiàng)目的支持。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于磁響應(yīng)液滴操縱相關(guān)研究的最新進(jìn)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(diǎn)，為此團(tuán)隊(duì)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(kuò)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(kuò)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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