理化所飞秒激光直写3D仿生响应型水凝胶微致动器研究获进展

受自然界的启发，基于刺激响应行为的响应型水凝胶致动器在软体机器人、柔性电子、生物医学等领域得到广泛关注。水凝胶微致动器在显微操作、微机器人、微流体、智能传感器等领域的应用颇为重要。然而，实现水凝胶微致动器在微纳尺度上的精确制备及可控操纵颇具挑战性。

近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队在4D刺激响应型仿生水凝胶微致动器的制备及应用方面取得新进展。研究合成了刺激响应型光刻胶前驱体，并结合结构设计，采用飞秒激光直写技术制备出4D刺激响应型水凝胶微结构。微米级水凝胶致动器表现出快速的pH响应，还可通过pH响应来调控微颗粒的捕获和释放行为。相关研究成果发表在Advanced Materials Technologies上。

飞秒激光直写技术是实现响应型水凝胶结构微型化的重要手段。该技术采用飞秒激光作为光源，激光束经物镜聚焦到光刻胶中，基于非线性光学效应，聚合反应仅发生在光子数密度极高的中心区域，因此具有高精度、真三维的特点。研究利用刺激响应型光刻胶，优化飞秒激光直写参数及激光加工路径，获得了响应行为可控的4D水凝胶微结构。研究改变激光加工参数来调节水凝胶微结构局部区域的交联密度，从而获得可控的pH响应行为，变形时间短至1.2秒，恢复时间为0.3秒。在此基础上，科研人员受捕蝇草捕获行为的启发，设计并加工了仿生不对称水凝胶微致动器，通过pH触发，实现和调节了其形状变化，捕获了单个或多个微颗粒，并可控地实现了微颗粒的同时释放或顺次释放。

研究团队对仿生水凝胶微致动器的控制操纵将增加精确捕获和释放微小物体的潜力，使智能水凝胶微致动器的制备成为可能。这种微致动器在软体机器人、微传感器和微电子机械系统（MEMS）等研究领域具有潜在的应用价值。

该成果是科研团队前期一系列3D仿生水凝胶工作的拓展（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 27796-27805/2019, 11, 1782-1789/2017, 9, 42247-42257；Nanomaterials 2021, 11, 2325；Appl. Surf. Sci. 2017, 416, 273-280.；J. Mater. Chem. B 2015, 3, 8486-8491.；Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039）。研究工作得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金面上项目、中科院国际伙伴计划等的支持。

论文链接

刺激响应型水凝胶微致动器的设计与制备

水凝胶微致动器对于双微粒的可控释放