基于 2PP 的独特微纳加工技术让制造无线功能性微型器件成为可能

也许这听起来像是科幻小说，但微型无线机器人有望成为医学、微流体和许多其他应用中微观操控的未来。 微观尺度上的高效和响应式操控包含控制微型物体，例如微量的细胞、组织、颗粒、微生物、流体等。 更有前景的，无线微型器件还能被应用于例如细胞显微操控、显微外科、活检应用、药物发现和药物递送。

然而，定义功能型微器件的形状和运动以执行特定任务一直以来是一项巨大的挑战。 事实证明，磁力驱动和控制的微型器件在如何快速地响应刺激、在微尺度上执行任务的精准度以及它们的小尺寸方面具有天然优势。 考虑到微型机器人的复杂运动和复杂设计，这就要求全新并且更精细的微纳加工策略来将具有不同磁化分布的异质材料集成到一个结构中。 来自马克斯普朗克智能系统研究所、苏黎世联邦理工学院、范德比尔特大学和科奇大学的科研团队因此提出了一种制作无线磁驱微型器件的新策略。这些微型器件能够以受控的方式移动，并且它们的移动在所有三个维度上都是可被编写的。 该研究项目最终被刊登在了 Nature Communications 杂志上。

正相光刻胶模板上的多步制模工艺

新型微纳加工策略的起点是使用正相光刻胶来制作用于制模的凹模。首先，旋涂并烘烤正相光刻胶以形成固态薄膜。然后使用Nanoscribe 双光子聚合 (2PP) 技术的无掩模光刻技术来曝光正相光刻胶。接着继续用后烘来结束光反应。最后，利用显影的方式去除已曝光区域。留下的结构是最终成为凹模的空腔，来填充弹性体复合材料和具有高磁性微粒浓度的预磁化微粒。后续，它们各自的磁化方向还可以按需进行编程。

微纳加工策略的关键是对同一未曝光的仍具有光活性的正相光刻胶薄膜进行多步曝光。因此，制模周期需要进行不断反复，与每个步骤中在所有空间方向上具有不同编程方向的磁性材料相匹配，从而实现最终磁性微器件的移动性能和其他功能性目标。在此之后，科学家们还准备了多层光刻胶薄膜，以期用异质材料来塑造更复杂的 3D 结构，同样是通过在所有制模周期之后溶解光刻胶膜，只留下最终制模结构的方式来达到。

2PP开辟了一种新型微纳加工策略

在多步制模过程中，Nanoscribe 的 2PP 技术促进了正相光刻胶中的 3D 微纳加工，以制造用于浇筑磁性弹性复合材料的凹模。 此外，2PP 还被用于 3D 打印负相光刻胶中的微结构。 3D 打印的结构还能被精确对齐到预先存在的部件上。 因此，软磁复合元件与 2PP 打印的结构部件能无缝结合，形成最终的复杂微型器件。

新的微纳加工策略展示了不同的微型器件能执行独特的运动和功能的能力，例如，用于混合流体的磁性微型转子、多自由度旋转系统和磁性微机械钻头 (µM-bits)。µM-bits可以通过编程在两种机械状态之间切换，因此也称为可逆的超材料。

用于混合流体的创新微型转子

复杂的三维旋转一直也是微型器件运动研究中的重要一部分。 因此，科学家也利用上述微纳加工策略来制造了磁性微转子。 微米级别的旋转运动展现出了由平面内旋转磁场所触发的相位协调性能。微型转子的主体是一个3D 打印直接得到的固定部件，它由 Nanoscribe 的 IP-S 负相光刻胶制成，直径为 360 µm，高度为 250 µm。 活动的环的部分由磁性 NdFeB 弹性复合材料制成，并粘合在另一个由IP-S光刻胶打印的中央底座上。

为了便于演示，该团队制作了这样一个行相位差和列相位差均为 π/4的8x8 微转子阵列。 施加的强度为40 mT的旋转磁场进一步证明了微型转子的输送和混合流体的能力。

想详细了解更多项目内容？请参考文献：Creating three-dimensional magnetic functional microdevices via molding-integrated direct laser

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