可用于疾病诊断和治疗的3D打印微型机器人

| 3DScienceValley · 2016/07/03

机器人是一种可编程、能执行某些操作或移动动作的自动控制机械。随着微米、纳米、微电子机械技术、微型机械电子系统（MEMS）的发展，机器人也逐渐变得越来越微小，为科学家发明可以在人体内使用的微型机器人创造了条件。体内微型机器人可以在人体管腔和液体介质内“游动”，以完成某些疾病的诊断和治疗任务。

包括双光子光刻、喷墨技术在内的3D打印技术在制造体内微型机器人中发挥了重要作用。本期3D科学谷就和谷友一起了解几个3D打印的体内微型机器人。

3D打印塑造外形
磁场或化学反应提供动力

成功运输肾细胞的微型机器人
《在英国皇家化学会／The Royal Society of Chemistry》杂志上，曾发表过一篇名为《3D打印微型游泳者和生物混合机器人的应用／Applications of Three-dimensional (3D) Printing for Microswimmers and Bio-Hybrid Robotics》的研究论文。

研究人员使用双光子光刻技术3D打印技术制造出了一个微米级的微型机器人Microswimmers。该文探讨了利用3D打印技术制造微型机器人所面临的现实和挑战。研究人员利用microswimmers进行试验，并检验他们在不同类型的液体和细胞环境中应对挑战的能力。

在研究中，微型机器人在十分粘稠的环境中表现的非常成功，在对微型机器人进行的进一步试验中，它们能够像细菌那样旋转运动，并可以携带“货物”。研究团队由此受到启发，使用同样的3D打印技术制造出了螺旋形的微型货船机器人，这种微型机器人表面涂覆了镍和钛，外形都为六面体和筒状。研究中，研究人员给这些微型货船机器人的运输任务是运送人体肾细胞，它们成功完成了任务。

120微米的微型鱼

美国加州大学纳米工程系的科学家曾3D打印出120微米的微型机器人微型鱼（microfish）。这种机器人可以通过磁力和化学反应来控制方向和速度，具有在生物和非生物液体中游泳的能力。科学家能够将这些微型鱼放入过氧化物溶液中游泳长达2小时，在室温下的存放时间长达一个星期。

美国加工大学科学家制造微型鱼的技术是一种纳米级的快速3D打印技术，称之为微尺度连续光打印（µCOP，Microscale Continuous Optical Printing）。微尺度连续光打印（µCOP）技术主要依赖一种数字微镜装置（DMD）芯片，并使用大约2百万个微型反射镜，将UV光投射到光聚合物材料上。通过类似DLP SLA的3D打印技术，对打印材料进行逐层固化。该技术使科学家们能够制造出各种形状的微型鱼（蝠鲼，鲨鱼等），而且只有120微米（长）×30微米（厚）。最重要的是，这些微型鱼只需几秒钟就能制造出来。
为了能够以一种经济和可扩展的方式3D打印出精细而逼真的人造微型鱼，科学家优化了µCOP打印系统。科学家们已能够使用三种不同的功能性纳米粒子制造出微型机器鱼，包括氧化铁（可通过磁性引导微型鱼）、铂（可通过化学引导机器鱼），和聚二乙炔（PDA，可用于中和有害的毒素）。

微型火箭机器人

英国谢菲尔德大学的科学家们利用喷墨3D打印技术创建了一个微型火箭机器人。它的应用前景是药物运输和定位癌细胞。

来源：onlinelibrary.wiley.com

在火箭机器人诞生之前，现有的微型机器人通常是由聚苯乙烯粒、碳纳米管或金属材料制造的。它们获得的推动力来自于机器人身体上分布的催化剂，常见的催化剂是铂。这些材料制造成本高，并且制造难度大。而微型火箭机器人并不是依靠铂金属来获得推动力的。那么，它是如何在体内游动的呢？原来发生在打印材料间的化学反应发挥了重要作用。英国谢菲尔德大学的研究人员使用一台喷墨式3D打印机将溶解的蚕丝和过氧化氢酶混合液体逐层沉积，甲醇也同时被逐层沉积。甲醇将与混合溶液发生化学反应，从而促进形成刚性的火箭形状。过氧化氢酶随后与燃料分子发生反应，产生推动火箭前进的气泡。

研究人员表示，由于蚕丝和过氧化氢酶都是可生物降解的物质，这样的微型火箭机器人具有更好的生物相容性，所以将他们应用于人体内的药物运输和癌细胞定位更加安全。喷墨3D打印技术的作用是制造出火箭机器人的形状，控制游泳方式，让科研人员在生产前对火箭机器人所进行的数字定义得以实现。

微型火箭机器人的相关论文发表在Small 杂志中，题目是：Reactive inkjet printing of biocompatible enzyme powered silk micro-rockets。