彈簧作為能量轉(zhuǎn)換器件，是小至鐘表、扭秤，大至汽車懸掛系統(tǒng)、原子力顯微鏡等裝置的關(guān)鍵部件。而在自然界中，細(xì)菌、精子等一些細(xì)胞和微生物也使用它們的納米級彈性菌絲進(jìn)行傳感、驅(qū)動和捕食，其力感知靈敏度甚至達(dá)到納牛（10

　　這些微生物和細(xì)胞的生物力學(xué)特性令人著迷。把彈簧結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微觀世界中，開發(fā)出具備彈性結(jié)構(gòu)的微納器件，成為科學(xué)家長久以來的一大構(gòu)想。

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所（以下簡稱深圳先進(jìn)院醫(yī)工所）副研究員徐海峰團(tuán)隊通過自主開發(fā)的超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了彈性體4D納米光刻技術(shù)，制備出迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧，探測靈敏度達(dá)到500飛牛（10-15牛），實現(xiàn)了皮牛力下微米級的形變。

　　基于此，該團(tuán)隊還開發(fā)出一系列具有超靈敏度的軟體微米機(jī)器人，實現(xiàn)了高精度細(xì)胞操縱，有望為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送等精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域提供新方法。該研究成果近日發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。

　　在微觀世界中，一些細(xì)胞和微生物使用生物彈簧來執(zhí)行力感知、捕食、驅(qū)動等動作。如果能借鑒這種生物力學(xué)特性，研發(fā)出超靈敏的仿生彈性器件，將有助于進(jìn)行更為精準(zhǔn)的細(xì)胞力學(xué)表征，甚至實現(xiàn)細(xì)胞的自由操縱，并有望應(yīng)用在精準(zhǔn)醫(yī)療、藥物遞送等領(lǐng)域。

　　“細(xì)胞力是細(xì)胞在執(zhí)行正常生理功能時所產(chǎn)生的作用力，包括細(xì)胞的黏附力、遷移力、收縮力、伸展力等，在細(xì)胞生長、發(fā)育、分化、運動、損傷修復(fù)等過程中發(fā)揮重要作用?！毙旌７褰榻B說，感知和探測細(xì)胞力是超靈敏仿生彈性器件實現(xiàn)相關(guān)功能的重要一環(huán)。器件能探測越低的細(xì)胞力，則說明其靈敏度越高。

　　然而，傳統(tǒng)用于測算和感知細(xì)胞力學(xué)表征的原子力顯微鏡表征方法、流體力學(xué)計算方法等都極易受到干擾，且數(shù)據(jù)差異很大，無法必威網(wǎng)址登陸入口實現(xiàn)細(xì)胞力學(xué)的精準(zhǔn)表征。

　　此外，納米級器件的小變形可觀測性較差，易造成較大的數(shù)據(jù)誤差。而受限于細(xì)胞相容性彈性材料的高精度3D加工等難題，研發(fā)出能應(yīng)用于細(xì)胞力學(xué)研究的大變形微米彈性器件仍面臨極大挑戰(zhàn)。

　　對此，研究團(tuán)隊構(gòu)想出一種微米級別的彈性機(jī)器人用以探測更低的細(xì)胞力，并運用首次構(gòu)建的彈性模量維度4D納米彈性體光刻策略，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)。

　　“該系統(tǒng)具有納米級的特征尺寸，其力感知的靈敏度可以達(dá)到500飛牛，相當(dāng)于單個細(xì)胞重力的一千分之一，并且其形變精度超過1 微米每皮牛?！毙旌７逭f。

　　這一新型皮牛彈簧支持高度自由的4D光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時完美兼容磁性光刻材料，可用于制備各類軟體微米機(jī)器人和柔性微米器件。

　　“這項工作開辟了探索生理、病理條件下分子、細(xì)胞和組織的力化生耦合動力學(xué)原理的新途徑?！敝袊W(xué)學(xué)會副理事長、清華大學(xué)生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所教授馮西橋評價說。

　　在此前的研究中，徐海峰團(tuán)隊分別開發(fā)了基于彈簧觸發(fā)的抗癌精子機(jī)器人以及抗血栓的精子火車機(jī)器人，相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會-納米》《德國應(yīng)用化學(xué)》等期刊。然而，這些微米機(jī)器人的細(xì)胞力感知精度較差，且無法實現(xiàn)細(xì)胞的自由操縱。

　　2017年，徐海峰開始探索超靈敏仿生彈性機(jī)器人，并于2020年加入深圳先進(jìn)院醫(yī)工所，開展磁驅(qū)微米機(jī)器人的研究。

　　“有三四年的時間，我們最大的困難便是如何實現(xiàn)彈性體光刻后機(jī)器人穩(wěn)定成型。對此，研究團(tuán)隊不斷積累研究經(jīng)驗，通過改進(jìn)光刻膠組成和激光寫入方式，解決了納米級皮牛彈簧的穩(wěn)定成型問題?！毙旌７寤貞浾f。

　　利用彈性模量維度的4D納米彈性體光刻策略，研究團(tuán)隊開發(fā)了一系列細(xì)胞應(yīng)用的軟體微米機(jī)器人，如用于測量精子驅(qū)動力的微米測力計、用于細(xì)胞操縱的微米夾持器等。

　　其中，微米測力計實現(xiàn)了對皮牛級細(xì)胞力產(chǎn)生微米級響應(yīng)，在1皮牛作用力下可產(chǎn)生約1微米的形變。極高的靈敏度使之可以在精子等細(xì)胞作用下產(chǎn)生較大變形，用于測量包括精子機(jī)器人在內(nèi)的物理、化學(xué)和生物復(fù)合等各類微米機(jī)器人的泳動力。

　　微米夾持器則可以被磁場獨立控制。該器件通過編程磁場模式，可以實現(xiàn)微米必威網(wǎng)址登陸入口機(jī)器人翻滾、旋轉(zhuǎn)、夾持、釋放等多自由度運動的解耦控制，對特定目標(biāo)物如活體細(xì)胞進(jìn)行夾持和轉(zhuǎn)運。該過程不影響諸如光、熱、離子或pH值等任何細(xì)胞外部環(huán)境變化，實現(xiàn)了細(xì)胞的無影響操縱。

　　此外，在驗證實驗中，研究團(tuán)隊還研發(fā)出仿生軟體微米機(jī)器人。該機(jī)器人具有集成的彈簧組，通過彈簧對磁場能量的儲存和編程釋放，實現(xiàn)了僅由磁場控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜?shù)能涹w驅(qū)動。

　　據(jù)了解，基于一系列超靈敏軟體微米機(jī)器人的成功探索，徐海峰團(tuán)隊目前正在開展新型精準(zhǔn)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)，并計劃將其逐步應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)及臨床研究，如超精度細(xì)胞力學(xué)自動化表征平臺和無干擾細(xì)胞操縱平臺等。

　　“基于該研究，未來新型微創(chuàng)甚至無創(chuàng)軟體微米機(jī)器人儀器將進(jìn)一步為細(xì)胞力學(xué)研究、體內(nèi)受精以及小腔道內(nèi)血栓清除和神經(jīng)干預(yù)等醫(yī)療任務(wù)提供有效助力?！毙旌７灞硎尽?/p>