基于空间光场调控的手性结构高效加工及其在磁驱微机器人中的应用

Micro-robot has important applications in biomedical fields such as drug delivery and single cell manipulation. The chiral magnetically driven micro-robot is able to transform the external rotating magnetic field into linear displacement, featuring the advantages of non-contact, remote control and easy to operate. However, efficient preparation and actuation of chiral micro-robots still remain great challenges. Therefore, a novel method for efficient processing of three-dimensional chiral structure based on spatial light field modulation is proposed, which is applied to manufacture magnetically-driven micro-robot. The main research contents are list below. A multi-dimensional method for space optical field vectors modulation will be developed, and optimized chiral three-dimensional structured light field will be generated; Single-exposure processing of chiral microstructure will be achieved by structured femtosecond laser; Synthesis of magnetic nanoparticles and magnetic photoresist will be done, facilitating single-step preparation of magnetic chiral micro-robot; The dynamics of chiral micro-robot in low Reynolds number environment will be studied, and the method of efficient actuation of chiral micro-robot with multiple freedom will be developed; The as-prepared chiral micro-robot will be applied in drug delivery and single-cell manipulation. The proposed method of spatial light field vector manipulation on femtosecond laser for the rapid preparation of chiral micro-robot is innovative in both the light field theory and manufacturing technology, which holds good application prospects in the field of biomedical engineering.

手性磁驱微机器人可以将外部旋转磁场转化为自身的直线位移，具有非接触、可远程操作且易于控制等优点，在药物运输、单细胞操纵等领域具有重要的应用价值。但是手性微机器人的批量化制备和高效率驱动依然面临巨大挑战。针对这两方面问题，本项目提出面向微机器人的空间光场调控三维手性结构高效加工新方法，并利用低强度旋转磁场实现微机器人的高效率驱动。研究内容包括：发展空间光场矢量的多维度调控方法，生成并优化三维手性结构化光场；利用飞秒激光结构化光场单次曝光加工手性微结构，优化加工工艺；合成磁性复合光敏材料，实现磁响应手性微机器人的一步成型加工；建立低雷诺数液体环境下磁场驱动手性微机器人的动力学方程，优化手性微机器人的多自由度驱动方法，并将其应用于药物运输及细胞操纵。本项目提出的通过飞秒激光空间光场矢量调控快速制备手性微机器人的方法在光场理论和加工技术上均具有新意，同时在生物医学工程领域也具有良好的应用前景。

微机器人在微创手术、靶向治疗、细胞操作及药物输运等方面具有重要的应用前景，但是如何实现微机器人的批量化制造以及如何实现其在液体环境中的高效驱动依然面临巨大的挑战。飞秒激光三维微纳加工技术具有分辨率高、可成型任意三维结构等优势，但是加工效率受限，无法实现微纳机器人的高效率快速制备；磁场驱动具有可非接触远程操作、对生物样本无伤害、易于控制等优点，是一种极具前途的微型机器人驱动方式。在微纳尺度流体中，机器人处于低雷诺数环境，其液体粘滞力起主导作用。在这种条件下往复对称运动无法产生有效的定向位移，只有非倒易运动模式才能对微机器人产生驱动作用。而手性结构因具有天然的对称性破缺，可以将旋转运动转化为直线位移。为此，本项目提出利用飞秒激光直写技术加工三维手性磁驱微机器人，利用空间光场调制方法提高飞秒激光加工的效率，利用旋转匀强磁场实现不同环境条件下微机器人的有效驱动。具体研究内容包括：发展了空间光场矢量的多维度调控方法，从原理和实验上实现了三维手性结构化光场的设计和生成；利用空间光场调制的飞秒激光实现了手性微结构的高效加工，系统研究并优化了加工工艺；通过磁性纳米颗粒掺杂、表面蒸镀、磁性喷雾镀膜等方式实现了磁性复合材料微机器人的高效制备；研究了低雷诺数环境下磁场驱动微螺旋手性机器人的影响因素，通过优化手性微机器人的锥角实现了低横向漂移的磁场驱动；对微纳机器人在药物靶向输运、细胞捕获、细胞培养、液滴操纵等领域的应用进行了探索，验证了飞秒激光制备微纳机器人的多场景应用可行性。本项目圆满完成了预期的研究目标，为高效率激光增材制造提供了有效的方法，并在精准医疗等领域具有良好的应用前景。