諾貝爾獎得主理論物理學家理查德·費曼曾在1959年率先提出利用微型機器人治病的想法，用他的話說，就是將“外科醫生”吞下。隨著微納米加工技術的發展，加工這些可以被吞下的“外科醫生”成為現實，人們通常把這些“外科醫生”稱為人造微納機器人。
受自然界微生物自由運動啟發，人造微納機器人近些年得到了廣泛的關注與研究，通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅動這些微納機器人，在無創手術、靶向藥物運輸和生物傳感檢測等領域具有廣泛的應用。在多種驅動方案中，磁場驅動可以無線式精確操縱微納機器人，改變外部磁場梯度和方向，會對微納機器人施加力和力矩，進而使其沿著期望的軌跡運動。
近期，中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室在利用調制結構光場高效加工微納機器人及其細胞移植、靶向藥物運輸方面取得重要進展。他們通過將調制的渦旋光束進行單次快速曝光或三維空間掃描加工出泳動性能與裝載貨物能力更強的空心管形和錐形螺旋結構，并利用該結構進行神經干細胞的體外移植、靶向藥物運輸治療腫瘤細胞。
相關成果分別以“Conical Hollow Microhelices with Superior Swimming Capabilities for Targeted Cargo Delivery”和“Targeted Single-Cell Therapeutics with Magnetic Tubular Micromotor by One-Step Exposure of Structured Femtosecond Optical Vortices”為題發表在Advanced Materials和Advanced Functional Materials [Adv. Mater., 31, 1808226, 2019; Adv. Funct. Mater., 29, 1905745, 2019]。
圖1 調制三維渦旋光場加工空心管狀與錐形螺旋結構
在上述工作中，研究人員設計具有特殊相位信息的光場全息圖，并將其加載于空間光調制器面板上，調制出的三維渦旋光場可用于高效加工空心管狀和錐形螺旋結構，相比于傳統的激光直寫加工（DLW），光場加工速度最快提高了600倍。除此之外，利用該方法也可以靈活可控地加工出不同參數的管狀與螺旋結構，KUKA機器人維修，大大提高了復雜三維結構的加工能力。
圖2 錐形空心螺旋加工與磁場驅動
其次，利用如圖2所示的錐形空心螺旋結構，并在其表面加入磁性響應材料。采用自行搭建的三維亥姆霍茲線圈控制系統，調節輸入電流的相位信息在三維空間內形成旋轉磁場，磁場方向的改變使磁性結構受到磁力矩作用，進而完成有效驅動。經對比發現錐形螺旋相比于傳統的直螺旋結構具有更快的前進速度，并有效抑制了橫向漂移運動。
圖3 磁場精確驅動空心錐形螺旋與管狀結構
除此之外，利用磁場梯度和方向的變化可以有效完成微結構的精確導向，空心錐形螺旋在旋轉磁場下完成各種復雜圖案化軌跡運動（如圖3所示），空心管狀結構在梯度磁場下完成SiO2微球的裝載、運輸、排列與釋放。
圖4 空心微螺旋與管狀結構分別用于神經干細胞移植與靶向藥物運輸治療腫瘤
最后，研究人員利用錐形空心螺旋結構內部與外部分別裝載納米及微米級貨物，并在體外完成了神經干細胞的移植；利用管裝微結構裝載運輸藥物（DOX）對癌細胞（Hela）進行有效治療，并通過熒光驗證治療效果。這些工作提出了簡單穩定的空心管狀、錐形螺旋微電機加工操縱技術，在細胞移植、體內藥物運輸、無創手術等領域具有重要應用前景，庫卡機器人，為相關生物醫療領域提供了新的技術手段。
工程科學學院博士生辛晨、楊亮為論文的第一作者，吳東教授和胡衍雷副教授為論文的共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金重大儀器、中國科學院和科技部重點研發計劃的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808226
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905745
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