大家好！今天来了解一个3D打印磁性纤毛的研究——《3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability》发表于《SCIENCE ADVANCES》。生物纤毛的奇妙功能给了科学家们灵感，他们经过努力，成功研发出了3D打印千分尺级无线磁性纤毛。它的制备过程很有讲究，而且在磁性能、机械性能、生物性能等方面都特别出色。它还能实现可编程异时性，在微流控等领域有着巨大的潜力。接下来，咱们就详细了解一下吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景与意义
生物纤毛在众多生物系统中起着关键作用，如自推进、食物捕获和细胞运输等，其长度通常在1到30μm之间，在低雷诺数（Re<<1）下以数十赫兹的频率摆动。受生物纤毛启发，人工纤毛装置不断被研发，其中磁性人工纤毛（MAC）因能对磁场即时响应且控制稳健而备受关注。然而，此前的MAC存在编程自由度受限或尺寸过大等问题，限制了其在微流控设备中的应用。此外，在生物医学应用中，MAC的生物相容性至关重要，但多数用于制造MAC的磁性复合材料对细胞有毒。因此，本研究旨在开发一种具有生物相容性、可编程性和良好性能的微型磁性纤毛，以满足微流控和生物医学工程等领域的需求。
二、MAC阵列的制备方法
1、制备平台
本研究的MAC制备平台由商用2PP系统（如PhotonicProfessional，NanoscribeGmbH，德国）和5线圈电磁线圈装置组成。在制备过程中，使用63×1.4数值孔径油浸物镜进行3D微打印，通过折射率匹配油确保能成功检测SF溶液-基底界面。2PP系统激光功率为50mW，在不同激光强度下可产生不同打印功率。
例如，在制备过程中，通过调整电磁系统，能够精确控制FePtJMPs的位置和方向，实现对MAC阵列的编程。
2、具体步骤
首先，将SFhydrogel前驱体溶液和FePtJMPs（直径10μm）的混合物填充到密封的PDMS微流控室中。
接着，在玻璃基底上直接激光打印一个矩形SF基底（10μm×10μm×5μm）作为纤毛的锚定结构。
然后，利用平面外旋转磁场将FePtJMP滚动到目标位置，并通过施加平面内静磁场调整其方向。
之后，打印SF梁（1μm×1μm×10μm）连接FePtJMP和SF锚定结构。
最后，重复上述步骤创建纤毛阵列，并通过用去离子水冲洗微流控通道“显影”得到编程的纤毛阵列。通过这种方法，可以制备出如圆形配置（相位差=60°）和三角形配置（相位差=120°）等不同排列的MAC阵列。
三、MAC阵列的特性分析
1、磁性能
FePtJMPs通过分子束外延系统共沉积Fe和Pt在单层二氧化硅颗粒上制备，其FePt涂层厚60nm，成分比在形成FePt的L1₀相范围内。
FePtJMPs的矫顽力为350mT，剩磁为100×100×10³A/m，这使得每个FePtJMP具有9.5×10⁻¹³A・m²的磁矩。高矫顽力防止FePtJMPs被驱动磁场重新磁化，而适当的剩磁使其能在较小旋转磁场（10mT）下快速运动，且相比磁化的NdFeB颗粒，聚集问题较少。
2、机械性能
通过使用一系列激光功率和恒定扫描速度（10,000μm/s）制备SF微结构来研究MAC阵列的机械性能。
对SF块（50μm×50μm×18μm）的体积溶胀行为研究发现，经过初始溶胀和随后收缩过程（激光功率40%除外），2PP打印的SF结构在去离子水中浸泡约1天达到溶胀平衡状态，且激光功率越高，溶胀比越低。
对打印纤毛的一维溶胀行为研究表明，纤毛在发育初期约10小时内持续溶胀，达到最大线性溶胀比约15%（60%、80%和100%激光功率），随后逐渐收缩，约24小时后达到平衡状态，溶胀比分别为7%、4%和3%（60%、80%和100%打印功率）。
经原子力显微镜（AFM）纳米压痕测量，平衡后的SF块杨氏模量在1-10kPa之间，与软生物组织相当，且激光功率越高，杨氏模量越大。
此外，SF水凝胶在较宽频率范围内以弹性为主，且在22°C至90°C温度范围内，MAC结构稳定，如在60°C烘烤10分钟前后，其几何形状和驱动性能变化可忽略不计。
3、生物性能
为验证MAC阵列的生物相容性，将其与人类成纤维细胞系共培养。培养72小时后，荧光图像显示细胞完全存活，在MAC阵列附近和周围呈现健康的纺锤形形态。
在生物降解性方面，MAC阵列在蛋白酶XIV溶液（1U/ml）中流速为2μl/min的流下，70秒内可按需降解。在生理环境中，丝水凝胶的降解时间取决于多种因素，如交联程度、酶类型、环境pH和温度等。此外，在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，MAC会发生几何收缩而非溶胀，且弯曲角度比在去离子水中大约30%。
四、MAC阵列的驱动与运动特性
1、驱动实验
使用去离子水显影1天后的平衡样品进行MAC阵列驱动实验，在3mT的平面内均匀旋转磁场中，纤毛进行二维鞭打运动。
该运动包括“磁冲程”（蓝色线）和“弹性冲程”（绿色线），在“磁冲程”中纤毛逆时针弯曲积累弹性能，在“弹性冲程”中释放弹性能并顺时针恢复原位。
以1Hz的旋转磁场为例，纤毛在“磁冲程”中尖端速度约为100μm/s，在“弹性冲程”中尖端速度为1500μm/s。此时，局部雷诺数（Re）在弹性冲程中为0.03，在低Re下，粘性效应主导惯性效应，二维可逆运动无法产生净流。
2、运动特性与参数关系
纤毛的最大弯曲角度θ随施加磁场强度增加而线性增加，直到FePtJMP达到丝锚定结构的160°。
由于SF水凝胶梁的溶胀和平衡，弯曲角度在水中发育的前约24小时呈下降趋势，之后稳定（至少24小时）。
对MAC在5Hz下连续驱动约4小时（对应超过65,000次跳动周期）的实验表明，所有测试纤毛保持良好的二维鞭打运动，开口角度ϕ仅有轻微变化，且在操作4小时后未观察到MAC损坏，停止驱动是为防止电磁线圈过热。此外，MAC在制造后至少50小时内仍能保持其驱动性能。
五、可编程异时性实现与影响
1、异时性类型与创建方法
异时性类型根据波传播方向和有效冲程方向的关系定义，本研究通过编程相邻FePtJMPs的取向差Δψ来创建可编程异时性。
当纤毛梁平行且Δψ>0时，实现辛普利西异时性运动；当Δψ=0时，纤毛阵列同步跳动；当Δψ<0时，为反普利西异时性运动；通过将纤毛首尾排列且Δψ≠0可实现对普利西异时性运动。
例如，对七个代表性例子（Δψ=-π/3、-π/4、-π/6、0、π/6、π/4、π/3）的测量表明，设计的Δψ与实验测量的相位差ΔΦ偏差在5%以内。
此外，保持Δψ=0，改变SF梁的机械性能（如激光功率）和几何形状（如长度）也可创建异时性。
利用大打印自由度，还可创建如圆形（Δψ=π/3）和三角形（Δψ=2π/3）等二维排列的MAC阵列。
2、异时性对流体运输的影响
不同异时性配置对F-MAC阵列产生的流型有显著影响。同步和对普利西运动可产生平移流，而左普利西运动仅产生局部混沌流。
定量分析表明，对普利西异时性可使流体流量增强150%，而左普利西异时性相比同步运动实际降低了流量。
通过合理排列F-MAC阵列可产生更复杂流型，如圆形排列可产生外部循环流和内部混合流，在6mT旋转磁场下，外部流速可达25μm/s；三角形排列可产生向内混合流，这些流型在细胞运输、捕获和混合流等生物和化学分析中有潜在应用。
六、微尺度流体运输能力研究
1、单个纤毛流体运输
单个纤毛由于可逆运动在低Re下无法产生净流，通过在FePtJMP上打印旗形结构（F-MAC）可打破可逆性。
在6mT的旋转磁场中，F-MAC主体仍可逆运动，但旗形结构非可逆运动，其运动源于弹性冲程和磁冲程的速度差异。
在弹性冲程中，旗形结构的快速运动导致更大的流体阻力，使其弯曲更大，从而产生净流，净流方向不随磁场旋转方向改变。单个F-MAC在5Hz跳动时，在玻璃基底上方40μm高度处产生的净流速度约为10μm/s。
旗形结构的弯曲行为可用无量纲精子数Sp描述，在5Hz磁驱动下，Sp约为1，表明在磁冲程中旗形结构形状变化可忽略不计，而在弹性冲程中，Sp远大于1，粘性力主导导致形状变化。此外，F-MAC可在高达100Hz的磁场下跟随运动。
2、F-MAC阵列复杂流型
如前所述，F-MAC阵列通过不同的异时性配置和排列方式可产生多种复杂流型，这些流型在生物医学和化学分析等领域具有潜在应用价值，如细胞运输、捕获和混合等操作。
七、研究总结与展望
1、研究成果总结
本研究成功开发了由FePtJMPs和SF水凝胶组成的无线驱动可编程微流控纤毛，其长度尺度接近生物纤毛。FePt和SF赋予纤毛系统生物相容性、可降解性和可调机械特性，FePtJMPs的高剩磁与SF的低刚度相结合，使纤毛在小于10mT的外部磁场下能产生大的驱动变形，SF的高机械稳定性确保了设计的稳健性。
通过调整FePtJMPs的取向，实现了可编程异时性，可创建多种线性和二维排列，且理论上可制造任意相位差的一维纤毛阵列，但目前受制造工艺限制，相位差范围为-90°至+90°。
2PP技术实现了复杂3D结构的制造，产生非可逆纤毛运动和指定纤毛排列，以生成平移和复杂净微流控流。F-MAC的非可逆运动源于两个冲程的速度差异，且对普利西异时性增强了流体运输，左普利西异时性抑制了流体运输，这与之前研究结果不同，归因于非可逆运动的不同机制。
2、未来研究展望
未来可通过改进制造工艺，如在连接SF梁和FePtJMPs时打印透明辅助环，扩展相位差范围。
研究MAC在非牛顿液体（如血液和粘液）中的流体运输性能，以及通过设计星鱼幼虫启发的纤毛阵列实现细胞/粒子操纵。
借助牺牲层改进FePtJMPs的二维排列为三维排列，并利用牺牲模具加速制造过程。本研究的纤毛阵列有望在微流控、生物医学工程和功能表面等领域得到广泛应用，如在生物体内植入以操纵粒子/细胞和执行传感任务。
八、一起来做做题吧
1、以下关于生物纤毛的描述，错误的是（ ）
A. 生物纤毛是微观的毛发状细胞突起，长度在 1 到 30μm 之间
B. 生物纤毛在低雷诺数（Re << 1）下以较低频率摆动
C. 生物纤毛对许多生物系统的生存和健康至关重要
D. 生物纤毛的功能包括自推进、食物捕获和细胞运输等
2、MAC 阵列制备过程中，调整 FePt JMPs 方向的关键步骤是（ ）
A. 填充 SF hydrogel 前驱体溶液和 FePt JMPs 混合物
B. 打印 SF 基底作为锚定结构
C. 施加平面外旋转磁场将 FePt JMP 滚动到目标位置
D. 施加平面内静磁场
3、关于 FePt JMPs 的磁性能，以下说法正确的是（ ）
A. 矫顽力低，剩磁高，容易被重新磁化
B. 矫顽力高，剩磁低，能在较小磁场下快速运动
C. 矫顽力为 350 mT，剩磁为 100×100×10³ A/m，不易聚集
D. 矫顽力和剩磁都较低，磁矩小
4、在 MAC 阵列的驱动实验中，纤毛的运动不包括以下哪种情况（ ）
A. 在 “磁冲程” 中纤毛逆时针弯曲积累弹性能
B. 在 “弹性冲程” 中纤毛释放弹性能并顺时针恢复原位
C. 在低雷诺数下，二维可逆运动能产生净流
D. 纤毛的最大弯曲角度随磁场强度增加而线性增加
5、以下哪种情况可以创建可编程异时性（ ）
A. 仅改变 FePt JMPs 的大小
B. 仅改变 SF 梁的材料
C. 编程相邻 FePt JMPs 的取向差，或改变 SF 梁的机械性能和几何形状
D. 改变磁场的旋转速度
6、单个纤毛在低雷诺数下不能产生净流的原因是（ ）
A. 纤毛没有旗形结构
B. 纤毛的运动可逆，粘性效应主导惯性效应
C. 磁场强度不够
D. 纤毛的材料不适合流体运输
参考文献：
Shuaizhong Zhang et al. ,3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability. Sci. Adv.9, eadf9462(2023).
