基于双光子聚合3D打印的低电压驱动水凝胶微纤毛致动器及其毫秒级快速响应机制研究

本文报道了一种通过双光子聚合3D打印技术制备的丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶微纤毛阵列。该致动器在低至1.5V的电压刺激下即可在毫秒内响应，实现非互易性3D运动与动态个体化调控，为模拟生物纤毛功能、开发微型机器人及生物医学应用提供了新平台。（关键词：水凝胶微致动器、3D打印、低电压驱动、微纤毛、非互易运动）

³D打印低电压驱动纤毛水凝胶微致动器

本文介绍了一种通过双光子聚合（TPP）技术³D打印的微米级纤毛状水凝胶致动器。该致动器由柔软的丙烯酸-共-丙烯酰胺（AAc-co-AAm）水凝胶构成，具有纳米尺度的网络结构。其核心创新在于对毫秒级低电压（低至1.5V，且不发生水解）电刺激的快速响应能力，实现了动态个体化控制和非互易性³D运动。

水凝胶微致动器制备

研究采用双光子聚合技术进行³D打印，并通过优化切片和填充等关键工艺参数，将离子水凝胶的孔径从传统毫米级致动器的数十微米缩小至纳米尺度。这种纳米级的孔隙率增加了有效表面积，扩大了电双层（EDL）的容量，从而在离子溶液中增强了离子传输和电渗流。利用这种直接的微型水凝胶致动器打印技术，研究者制备了AAc-co-AAm凝胶微纤毛（直径2-10µm，高度18-90µm），并在其周围布置微电极。在1.5V电位（低于电解反应阈值≤1.5V）下，这些紧密排列的30-300µm间距的电极可产生5000至50000V m^-1的电场。

快速弯曲机制

与以往基于界面pH或渗透压梯度驱动的毫米级水凝胶不同，本研究中的微米级水凝胶通过纳米级孔隙内的离子迁移实现驱动，从而表现出独特的弯曲行为和快100倍的弯曲响应速度。弯曲方向取决于溶液的离子环境。在H⁺主导的去离子（DI）水中，凝胶微纤毛向阳极弯曲；而在Na⁺主导的生理盐水（0.15380 mol l^-1NaCl）中，则向阴极弯曲。在中间浓度（0.00769 mol l^-1NaCl）下，H⁺/Na⁺的竞争效应会导致先向阳极弯曲再反向阴极弯曲的瞬态行为。完全耦合的电-化学-机械模拟揭示了其内在机理：在DI水中，水凝胶网络中羧酸基团解离出的H⁺离子在电场下迁移并聚集在阴极侧区域（区域1），导致局部网络收缩（因酸性环境使部分–COO^–转变为–COOH，减少排斥力），从而使纤毛向阳极弯曲。在生理盐水中，主导的Na⁺离子在电场作用下向阴极迁移并聚集在区域1，其水合作用导致该区域网络溶胀，从而使纤毛向阴极弯曲。H⁺离子（迁移率μ_H= 3.62 × 10^–7m²s^–1V^–1）比Na⁺离子（μ_Na= 5.19 × 10^–8m²s^–1V^–1）更高的迁移率是瞬态弯曲行为的原因。快速弯曲动力学源于两个因素：EDL的有效表面积扩大增强了离子传输，以及微米尺度上快速的H⁺和Na⁺迁移。例如，在10000 V m^-1电场下，H⁺穿越10µm距离仅需2.8ms。这使得旋转弯曲运动频率可达40Hz。耐久性测试表明，单个纤毛在连续驱动330,000次循环（20Hz，5小时）后仍能保持50°的弯曲角度，约为初始性能的70%。致动器寿命主要受限于薄膜微电极的稳定性而非水凝胶本身。丙烯酸（AAc）浓度、纤毛直径、电场强度、高度等参数均影响弯曲性能。在多种溶液（DI水、生理盐水、DPBS）和生理流体（人唾液、人血清、小鼠血浆）中的测试表明，其驱动性能随溶液离子复杂性增加而降低，但在各种环境中均保持功能。

可重编程运动

研究展示了在电刺激下对四个凝胶微纤毛系统协调运动的多样化控制。通过对图案化电极的电信号控制，可以实现同步单向弯曲、180°异相单向弯曲、同步³D旋转弯曲或相邻纤毛的反向旋转。这种协调运动可扩展至5×5和25×25阵列。每个致动单元可独立寻址，实现同步单向弯曲、顺时针/逆时针旋转和独立驱动。阵列可被重编程以显示特定图案（如“HKUST”），其中字母与背景纤毛之间存在180°相位差以增强视觉对比度。大规模阵列（如25×25）同样可编程显示复杂图案（如“MPIIS”）。水凝胶前驱体与微驱动系统也兼容标准光刻技术，演示了使用常规光刻技术制备10⁶个凝胶微纤毛。水凝胶致动器还能与微机械结构（如³D金字塔框架结构、直接打印的螺旋形状）集成，将电诱导的水凝胶弯曲转换为旋转和拍动运动。此外，研究还制作了人工海星幼虫平台，结合微尺度³D打印的幼虫躯体、其曲面上的微电极图案以及集成的水凝胶纤毛，在电控制下再现了生物类似的涡流阵列，为定量研究仿生过程和主动边界条件提供了可靠的机器人平台。

动态流体操控

凝胶微纤毛能够实现可控的流体输送和定向粒子运动。流体操控控制通过两种策略实现：其一，通过在同一致动单元内改变凝胶微纤毛的空间排列和密度配置，在相同的顺时针驱动信号下调控流场模式。实验表明，纤毛的位置和密度可以主导同步顺时针运动下的涡流模式和方向。例如，中心放置的四个纤毛产生顺时针涡流，并在单元间区域诱导出逆时针涡流；而角落放置的配置则在每个致动单元内产生五个涡流（四个顺时针，一个中心逆时针）。高密度阵列（如每单元25个纤毛）则因邻近纤毛间的流体动力学干扰而消除了单元内涡流。其二，通过独立寻址的凝胶微纤毛动态重编程流场模式。例如，最外圈16个纤毛以相邻致动器90°相位差形成异时波，产生中心逆时针涡流；区域特异性驱动可在阵列内生成L形流动；交替列驱动产生双向垂直流；同心环驱动则建立嵌套涡流。粒子图像测速（PIV）和粒子轨迹跟踪结果均与模拟预测的流场模式一致。估计由纤毛产生的最大流速在50至250µm s^-1之间。这些功能演示了该平台在微流体操控方面的潜力。

讨论

当前的凝胶微纤毛在复杂离子环境（如含多种主导离子的溶液）中的性能仍有提升空间。潜在解决方案包括优化水凝胶单体组成（例如引入2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸以增强网络极化能力）、减小纤毛直径（≤2µm）以缩短离子重分布时间，以及通过³D微电极或减小电极间距来增强电场均匀性和强度。预计随着凝胶微纤毛性能的持续改进，结合先进的微/纳米加工及柔性电子制造技术，将在众多领域获得广泛应用。