如何让飞秒激光加工的微雕塑“活”起来？

作者：张永来

封面文章 | 胡昕宇, 马卓晨, 韩冰, 李春赫, 张永来. 飞秒激光制备蛋白质智能软体执行器[J]. 中国激光, 2021, 48(14): 1402001

【封面解读】封面呈现了利用飞秒激光双光子聚合技术制备蛋白质微执行器。传统激光加工技术制备的微结构都是不会动的“微雕塑”，无法驱动，这严重限制了其在微机械、微机器人和微光机电系统方面的应用。本文提出并构建“双极”非均匀的微结构，制备软体智能微执行器，成功解决了微雕塑不会动的难题。

图中的八卦代表阴阳，也寓意微结构中“活性”和“惰性”双极结构，这是实现形变驱动的核心思想。图中间两条弯曲的蛋白质悬臂可以通过形变实现抓捕功能。该软体微执行器为微流控芯片片上微操控提供了新的思路。

背景介绍

近年来，智能执行器件取得了突破性的进展。与由刚性材料构成的传统执行器件相比，智能软体执行器凭借其柔软和自适应性强的材料组分以及可根据外部刺激响应来自发完成运动的特性，在生物医学工程，光学系统，微机械系统，化学分析等领域拥有无限广阔的前景。

而随着人们对小型化、便携化和智能化产品的需求日益增大，微纳加工技术与新型材料的研究也取得了长足进步。其中飞秒激光双光子聚合直写具有高自由度可编程设计能力、强大的三维处理能力和高空间分辨率等优点，在三维微纳器件制造方面有着极大优势。

与此同时，如何利用生物相容性材料制备微纳器件，并将其直接应用于细胞操作、组织切片等生物医学领域，这对于开发诸如智能微型机器人和微机械系统等研究具有重要意义。

创新研究

针对上述需求，吉林大学张永来教授团队使用飞秒激光双光子聚合技术制备了基于生物相容性好的牛血清白蛋白（BSA）材料的三维微机械结构。该器件利用材料内部非均匀网格密度设计，通过飞秒激光三维加工，实现了微纳器件外部轮廓的三维直写，同时对器件内部材料分布进行调控，使之具有各向异性。

图1为智能微纳器件示意图。如图所示，微机械悬臂两层的交联密度不同，当器件所处的溶剂PH发生改变时，外侧结构收缩膨胀程度大于内侧，弯曲的悬臂向内进行抓捕动作或向外完成释放动作，实现自由智能的机械动作行为。

图1 智能微纳器件示意图。(a)pH溶剂刺激前智能微机械的原位状态；(b)智能微机械受pH溶剂刺激响应，膨胀抓住微纳颗粒

为了探索pH响应的具体参数对BSA微结构在酸碱环境下膨胀度的影响，实验利用飞秒激光直写技术在玻璃衬底上加工了长宽高分别为15 μm、15 μm、5 μm，激光扫描步长分别为100 nm、150 nm和200 nm的三种正方形方块结构。

实验结果表明，同材料不同扫描步长的非均匀结构具有很大的应用潜能。

图2 不同加工步长的 BSA 微结构的 pH 响应特性。 (a)三种不同激光扫描步长（100 nm， 150 nm， 200 nm）的BSA方块结构（15 μm×15 μm×5 μm） 在 pH1, pH5, pH13 溶剂下的光学显微镜照片； (b)三种不同激光扫描步长的 BSA 结构的溶胀率随 pH 的变化； (c)响应时间与膨胀比之间的关系曲线图； (d)在 pH13 溶剂下百次循环刺激响应与膨胀比之间的关系图

图3为一款不同扫描步长的非均匀双层微纳悬臂。在外界酸碱溶液的刺激下，外侧层的膨胀度大于内侧层的，因此产生了内外应力差，促使悬臂结构总体向内弯曲。

图3 基于 BSA 双层微悬臂的动态响应。 (a) BSA 双层不同扫描步长的悬臂结构的 3DMAX 模型图； (b)在等电位点与 pH13 溶剂刺激相应下，悬臂弯曲角度与双层扫描步长的变化关系图

基于以上研究，课题组设计了一种可以利用外界刺激响应完成“抓捕”和“释放”功能的生物相容性材料微机械。如图4所示，当浸入pH5溶液时，微机械没有明显反应且棒状结构离悬臂有很大空隙。当切换为 pH1 溶液时，微机械“手臂”快速“抓住”微纳棒；当切换为 pH13 溶液时，微机械“手臂”膨胀度更大，紧紧“抓住”微纳棒；而再次切换到 pH5 溶液时，可快速完成“释放”动作。

图 4 pH 调控的智能微机械。 (a) pH 溶剂刺激下，微机械响应的光学显微镜照片； (b)当周围溶液的 pH 值在1， 5 和 13 之间切换时，智能微机械完成“抓住”，“释放”，“紧抓”物体的反复可逆动作的光学显微镜照片。 (c) 微机械双悬臂距离的响应时间曲线； (d)微机械结构的悬臂距离在 pH5 与 pH13 溶液中实现 100 次循环切换

结论

在先进的激光集成技术的帮助下，这种采用生物相容性好的蛋白质材料所制作的智能微机械在未来的生物医学检测、微细胞分析和仿生学等应用中将发挥越来越重要的作用。

课题组简介：

张永来教授领衔的激光仿生制造团队隶属于吉林大学电子科学与工程学院。团队聚焦非硅MEMS制造和驱动难题，提出了基于超快激光加工技术的解决方案，攻克了材料组分受限、表面特性调控和器件柔性集成等MEMS制造复杂性问题；提出了飞秒激光诱导MEMS器件“成型-智能化-驱动”三元协同制备新方法，实现系列非硅MEMS外场可控驱动，开拓了飞秒激光非硅MEMS制造前沿研究领域。近五年，在Nat.Commun. Natl.Sci.Rev. Adv.Mater. Laser Photon.Rev.等重要学术期刊发表第一/通讯作者SCI论文54篇，所有论文近五年他引4159次，H因子45。研究成果被Nature、美国光学学会、美国机械工程师协会、国家科技部等官方报道25次。2018年获吉林省青年科技奖，2015年获国家自然科学基金优秀青年基金资助，主持国家自然科学基金重点项目。