可用於疾病診斷和治療的3D列印微型機器人

機器人是一種可編程、能執行某些操作或移動動作的自動控制機械。隨著微米、納米、微電子機械技術、微型機械電子系統（MEMS）的發展，機器人也逐漸變得越來越微小，為科學家發明可以在人體內使用的微型機器人創造了條件。體內微型機器人可以在人體管腔和液體介質內「遊動」，以完成某些疾病的診斷和治療任務。

包括雙光子光刻、噴墨技術在內的3D列印技術在製造體內微型機器人中發揮了重要作用。本期3D科學谷就和谷友一起了解幾個3D列印的體內微型機器人。

3D列印塑造外形

磁場或化學反應提供動力

成功運輸腎細胞的微型機器人

《在英國皇家化學會／The Royal Society of Chemistry》雜誌上，曾發表過一篇名為《3D列印微型游泳者和生物混合機器人的應用／Applications of Three-dimensional (3D) Printing for Microswimmers and Bio-Hybrid Robotics》的研究論文。

研究人員使用雙光子光刻技術3D列印技術製造出了一個微米級的微型機器人Microswimmers。該文探討了利用3D列印技術製造微型機器人所面臨的現實和挑戰。研究人員利用microswimmers進行試驗，並檢驗他們在不同類型的液體和細胞環境中應對挑戰的能力。

在研究中，微型機器人在十分粘稠的環境中表現的非常成功，在對微型機器人進行的進一步試驗中，它們能夠像細菌那樣旋轉運動，並可以攜帶「貨物」。研究團隊由此受到啟發，使用同樣的3D列印技術製造出了螺旋形的微型貨船機器人，這種微型機器人表面塗覆了鎳和鈦，外形都為六面體和筒狀。研究中，研究人員給這些微型貨船機器人的運輸任務是運送人體腎細胞，它們成功完成了任務。

120微米的微型魚

美國加州大學納米工程系的科學家曾3D列印出120微米的微型機器人微型魚（microfish）。這種機器人可以通過磁力和化學反應來控制方向和速度，具有在生物和非生物液體中游泳的能力。科學家能夠將這些微型魚放入過氧化物溶液中游泳長達2小時，在室溫下的存放時間長達一個星期。

美國加工大學科學家製造微型魚的技術是一種納米級的快速3D列印技術，稱之為微尺度連續光列印（μCOP，Microscale Continuous Optical Printing）。微尺度連續光列印（μCOP）技術主要依賴一種數字微鏡裝置（DMD）晶元，並使用大約2百萬個微型反射鏡，將UV光投射到光聚合物材料上。通過類似DLP SLA的3D列印技術，對列印材料進行逐層固化。該技術使科學家們能夠製造出各種形狀的微型魚（蝠鱝，鯊魚等），而且只有120微米（長）×30微米（厚）。最重要的是，這些微型魚只需幾秒鐘就能製造出來。

為了能夠以一種經濟和可擴展的方式3D列印出精細而逼真的人造微型魚，科學家優化了μCOP列印系統。科學家們已能夠使用三種不同的功能性納米粒子製造出微型機器魚，包括氧化鐵（可通過磁性引導微型魚）、鉑（可通過化學引導機器魚），和聚二乙炔（PDA，可用於中和有害的毒素）。

微型火箭機器人

英國謝菲爾德大學的科學家們利用噴墨3D列印技術創建了一個微型火箭機器人。它的應用前景是藥物運輸和定位癌細胞。

在火箭機器人誕生之前，現有的微型機器人通常是由聚苯乙烯粒、碳納米管或金屬材料製造的。它們獲得的推動力來自於機器人身體上分布的催化劑，常見的催化劑是鉑。這些材料製造成本高，並且製造難度大。而微型火箭機器人並不是依靠鉑金屬來獲得推動力的。那麼，它是如何在體內遊動的呢？原來發生在列印材料間的化學反應發揮了重要作用。英國謝菲爾德大學的研究人員使用一台噴墨式3D印表機將溶解的蠶絲和過氧化氫酶混合液體逐層沉積，甲醇也同時被逐層沉積。甲醇將與混合溶液發生化學反應，從而促進形成剛性的火箭形狀。過氧化氫酶隨後與燃料分子發生反應，產生推動火箭前進的氣泡。

研究人員表示，由於蠶絲和過氧化氫酶都是可生物降解的物質，這樣的微型火箭機器人具有更好的生物相容性，所以將他們應用於人體內的藥物運輸和癌細胞定位更加安全。噴墨3D列印技術的作用是製造出火箭機器人的形狀，控制游泳方式，讓科研人員在生產前對火箭機器人所進行的數字定義得以實現。

微型火箭機器人的相關論文發表在Small 雜誌中，題目是：Reactive inkjet printing of biocompatible enzyme powered silk micro-rockets。

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