给细胞“送快递”？中国科学家打造多功能3D微纳机器人

想象一下，在比头发丝还要细的尺度上，有一双灵巧的“手”正在忙碌地工作——它能够精准地抓取微小颗粒，将其运送到指定位置，然后轻柔地释放。这不是科幻电影中的场景，而是中国科学院理化技术研究所科研人员的最新成果。这个仅有40微米大小的3D手型微纳机器人，正在刷新我们对微观世界操控能力的认知。

微观世界的精密挑战

在显微镜下的世界里，一切都变得不同寻常。水滴变成了汪洋大海，灰尘化作了巨石，而想要在这个尺度上进行精密操作，就如同戴着厚重的手套去穿针引线。长期以来，科学家们一直梦想着能够在微观尺度上实现如同宏观世界般灵活自如的操控能力。这不仅仅是技术上的挑战，更关系到精准医疗、靶向药物递送、细胞操控等诸多前沿应用领域的突破。

传统的微纳机器人往往面临着一个困境：要么功能单一，只能响应单一的外部刺激；要么结构复杂但难以精确控制。就像一个只会单一动作的机械臂，虽然能够完成特定任务，却无法应对复杂多变的工作环境。如何让微纳机器人既能感知环境变化，又能精准执行复杂动作，成为了摆在科研人员面前的一道难题。

中国科学院理化技术研究所会同北京石油化工学院，提出了一个创新性的解决方案：通过多材料集成和模块化设计，赋予微纳机器人多重响应能力。联合研究团队共同打造了这个具有划时代意义的微型“快递员”。

材料的智慧：双响应系统的巧思

这个微纳机器人的独特之处，在于它巧妙地整合了两种不同的智能材料系统。就像人的大脑和肌肉分工协作，机器人的顶部和底部分别承担着不同的功能。

顶部的pH响应模块，采用了含有2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）的特殊光敏树脂。这种材料中的叔胺基团就像一个灵敏的化学传感器，能够感知周围环境的酸碱变化。当环境变酸时，叔胺基团会发生质子化，带上正电荷，相互之间产生静电排斥，导致聚合物链条舒展开来，吸收更多水分而膨胀。这个过程就像海绵遇水膨胀一样自然，却又精确可控。当加入碱性溶液中和后，结构又会恢复原状，实现可逆的开合动作。

底部的磁响应模块则采用了另一套材料体系。研究人员首先合成了Fe₃O₄纳米颗粒，并用硅烷偶联剂MPS对其表面进行修饰，提高了纳米颗粒在有机体系中的分散性和稳定性。这些经过精心处理的磁性纳米颗粒被均匀分散在光敏树脂中，形成了可以被飞秒激光直接加工的磁性前驱体。通过局部高功率激光处理，铁含量可以达到45.71%的重量百分比，赋予整个微纳机器人强大的磁响应能力。

多材料、多模块自由支撑“手形”微型机器人的飞秒激光直接写入制备示意图

（图片来源：参考文献1）

飞秒激光的精密雕刻

如何在如此微小的尺度上制造出结构复杂、功能精密的机器人？答案是飞秒激光直写技术。这项技术就像是一支能在微观世界作画的神奇画笔，通过双光子聚合原理，可以在三维空间中逐点“绘制”出所需的结构。

整个制备过程分为两个关键步骤。首先，研究人员将含有DMAEMA的光敏树脂滴入两片玻璃片之间的空腔中，然后用780纳米波长的飞秒激光按照预先设计的三维模型进行逐点扫描。激光聚焦处的光敏树脂发生聚合反应，形成固化的聚合物网络。通过精确控制激光的扫描路径和功率，可以在“手掌”结构的内外两侧形成不同的交联密度。内侧经过重复扫描，交联密度更高，在酸性环境中膨胀程度较小；外侧交联密度较低，膨胀程度更大，从而实现了“手掌”的自动开合。

第二步是磁驱动模块的局部制备。激光焦点调整到微机器人的底部，滴加含有磁性纳米颗粒的前驱体，通过快速扫描将大量磁性纳米颗粒固定在指定位置。这种局部制备的方法突破了传统全磁性结构的限制，大大减少了磁性材料的用量，同时保持了良好的可控性。

微观世界的灵活舞者

完成制备的手型微纳机器人展现出了令人惊叹的运动能力。在外部磁场的引导下，它可以在溶液中自由游动，平均速度达到15.6微米每秒。虽然这个速度在宏观世界看来微不足道，但在微观尺度上已经相当可观——相当于它每秒可以移动接近半个身位的距离。

更令人印象深刻的是它的灵活性。通过改变磁场的方向和强度，微纳机器人可以实现上下左右的平面运动，还能够进行顺时针和逆时针的旋转。当遇到障碍物时，它甚至可以通过翻滚的方式越过障碍，就像一个训练有素的体操运动员。这种三维空间的自由运动能力，为其在复杂微环境中的应用奠定了基础。

研究人员通过磁滞回线测量证实，所使用的Fe₃O₄纳米颗粒在室温下表现出超顺磁性，即在没有外部磁场时不会保留磁性。这一特性确保了微纳机器人在停止工作时不会相互吸引聚集，保持了良好的可控性和重复使用性。

从微粒到细胞的精准递送

这个微型“快递员”最引人注目的应用是对微小物体的精准操控。研究团队首先用直径10微米的聚苯乙烯微球进行了测试。整个捕获、运输和释放过程就像一场精心编排的舞蹈：当微球落入张开的“手掌”中后，滴加酸性溶液（pH=6），“手掌”在5秒内迅速闭合，将微球牢牢抓住；随后在磁场引导下，携带着“货物”的机器人游向目标位置；到达目的地后，滴加碱性溶液（pH=10），“手掌”重新张开，完成货物的释放。

更具挑战性的是对活细胞的操控。研究人员选择了786-O细胞（人肾透明细胞癌细胞）进行实验。与被动等待微球落入不同，对细胞的捕获需要更加主动的策略。微纳机器人可以在磁场控制下主动接近目标细胞，通过摆动调整姿态，然后在合适的时机通过pH变化实现捕获。令人欣慰的是，经过捕获、运输和释放的完整操作流程后，细胞存活率达到了97.76%，证明了这种操控方式的温和性和生物相容性。

研究团队还进行了生物相容性的系统评估。他们用DMAEMA光敏树脂制备了90微米×90微米×3微米的立方体结构，用于L929细胞（小鼠成纤维细胞）的培养。24小时后，细胞在结构上生长良好，细胞核和线粒体的荧光染色显示细胞保持着健康的生理状态，证实了材料良好的生物相容性。

手形微型机器人 pH 响应模块（pH-RCM）的表征

(a)、(b) 分别为手形微型机器人 pH 响应模块在酸性与碱性环境下的示意图和光学图像。该模块类似于“手掌”结构，在酸性溶液中闭合，加入碱性溶液后则张开。

（图片来源：参考文献1）

模块化设计的无限可能

这项研究最具创新性的贡献之一，是提出了模块化的设计理念。磁驱动模块可以被局部制备在任何预先制作的静态微结构上，赋予其运动能力。这就像是给静止的雕塑安装上了发动机，让它们瞬间获得了生命力。

研究人员还展示了不同姿态的手型微纳机器人——侧卧式和直立式，它们都能够成功捕获细胞。这种设计的灵活性意味着，未来可以根据不同的应用需求，定制各种形状和功能的微纳机器人。比如，可以设计成钳子形状用于夹取，设计成笼状用于包裹，或者设计成螺旋形用于钻进狭窄空间等等。

更进一步，研究团队展望了多个微纳机器人协同工作的可能性。通过合理调整磁响应模块的位置和强度，可以实现多个机器人的集体运动控制，完成更加复杂的任务，如协同搬运大型物体或在不同位置同时进行操作。

微观操控的美好前景

站在这项突破性成果的基础上展望未来，我们可以想象出许多激动人心的应用场景。在精准医疗领域，这些微纳机器人可以携带药物直达病灶，实现真正的靶向治疗；在细胞工程中，它们可以精确操控单个细胞，辅助完成细胞注射、融合等精密操作；在环境治理方面，大量的微纳机器人可以协同工作，清除水体中的微塑料污染。

这项研究工作不仅在技术上实现了重要突破，更为微纳机器人的设计提供了新的思路。通过巧妙的多材料集成和模块化设计，他们成功地解决了单一材料系统功能受限的问题，为微纳机器人赋予了更强大的环境感知和执行能力。

当我们把目光从宏大的宇宙转向微小的世界，会发现那里同样充满了无限的可能。这双在微观世界中灵巧工作的“手”，正在为人类打开通向更精密、更智能的未来之门。或许在不久的将来，当医生需要在你的身体内进行精密治疗时，这些忠实的微型“快递员”就会悄然启程，完成它们的神圣使命。

参考文献：

【1】Jian-Miao Zhang et al 2026 Int. J. Extrem. Manuf. 8 015509

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览