哈工大（深圳）馬星/金東東團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：通過(guò)反應(yīng)潤(rùn)濕制備用于小尺度軟體機(jī)器人的液態(tài)金屬/四氧化三鐵磁性復(fù)合材料

2023-10-09 來(lái)源：高分子科技

相比剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更高自由度的變形，且在碰撞時(shí)更好地吸收能量，從而有效彌補(bǔ)機(jī)器與人之間機(jī)械性質(zhì)的差異，提高應(yīng)用中的安全性。若進(jìn)一步賦予軟體機(jī)器人以磁性并縮小至小尺度（毫米尺度及以下）后，則可以在磁場(chǎng)操控下實(shí)現(xiàn)人體環(huán)境中軟體機(jī)器人的遠(yuǎn)程精確控制。此類(lèi)磁性微型軟體機(jī)器人有望進(jìn)入人體中常規(guī)醫(yī)療手段難以觸及的狹窄區(qū)域中執(zhí)行任務(wù)，從而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值 [Chem. Rev. 2022, 122, 5317; Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 74]。

液態(tài)金屬磁性軟體機(jī)器人因其獨(dú)特的不混溶性、可變形性和金屬屬性而受到廣泛關(guān)注。為了構(gòu)建該新型的磁性軟體機(jī)器人，研究人員使用了不同磁性金屬粉末（Fe、Ni、NdFeB和Gd等）與液態(tài)金屬（鎵和共晶鎵銦合金等）進(jìn)行復(fù)合。然而，這些過(guò)程往往依賴(lài)于金屬粉末與液態(tài)金屬間的合金化作用或液態(tài)金屬氧化膜黏附作用，制備得到的磁性液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料存在磁性隨時(shí)間衰退和金屬粉末泄漏等潛在風(fēng)險(xiǎn)。而如果使用磁性強(qiáng)、惰性且生物相容性好的四氧化三鐵（Fe₃O₄）磁性材料，則會(huì)由于其與液態(tài)金屬間巨大的表面能失配問(wèn)題而展現(xiàn)出高度的不潤(rùn)濕性，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬與磁性材料的高效復(fù)合。

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料學(xué)院的馬星教授和金東東副教授提出了一種通過(guò)反應(yīng)潤(rùn)濕機(jī)制將惰性且生物相容的Fe₃O₄磁性納米粒子復(fù)合到共晶鎵銦合金（EGaIn）中的策略。首先，為了解決Fe₃O₄和EGaIn之間固有的界面不潤(rùn)濕性，引入了銀作為中間過(guò)渡層與液態(tài)金屬中的銦發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生Ag_xIn_y金屬間化合物（IMCs）。該反應(yīng)過(guò)程不僅促進(jìn)了Fe₃O₄納米粒子與EGaIn潤(rùn)濕（即反應(yīng)潤(rùn)濕），還將磁性顆粒錨定在液態(tài)金屬內(nèi)部以提高磁驅(qū)動(dòng)時(shí)的磁穩(wěn)定性。隨后，作者團(tuán)隊(duì)基于該復(fù)合材料體系構(gòu)建了一種液態(tài)金屬磁性微型軟體機(jī)器人，其在外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下能夠?qū)崿F(xiàn)各種可控變形和運(yùn)動(dòng)行為，且在內(nèi)窺鏡和X射線成像的原位監(jiān)測(cè)下于離體豬胃中展現(xiàn)了靶向遞送應(yīng)用的實(shí)際可行性。該策略在未來(lái)不僅可以進(jìn)一步拓寬液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料體系庫(kù)，也能為用于臨床醫(yī)學(xué)的磁性軟體機(jī)器人提供新的思路。該工作近期以“Reactive wetting enabled anchoring of non-wettable iron oxide in liquid metal for miniature soft robot”為題發(fā)表于Nature Communications。文章第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料學(xué)院碩士研究生沈毅鋒，通訊作者是馬星教授和金東東副教授。

圖1. 利用反應(yīng)潤(rùn)濕錨定效應(yīng)制備液態(tài)金屬磁性微型軟體機(jī)器人。

圖2. 液態(tài)金屬與改性Fe₃O₄磁性顆粒的復(fù)合效果。

圖3. 液態(tài)金屬磁性軟體機(jī)器人在磁場(chǎng)控制下實(shí)現(xiàn)按需操縱。

圖4. X射線成像引導(dǎo)下的液態(tài)金屬磁性軟體機(jī)器人在離體豬胃中磁控導(dǎo)航。

總之，該工作提出了一種消除金屬氧化物與液態(tài)金屬間表面能不匹配問(wèn)題的復(fù)合材料制備策略，可有效提高兩者之間的潤(rùn)濕性，并可通過(guò)機(jī)械研磨、電化學(xué)輔助、酸輔助等多種方式實(shí)現(xiàn)EGaIn和Fe₃O₄納米顆粒之間的高效復(fù)合。制備的Ag_xIn_y金屬間化合物有助于將磁性顆粒限制在EGaIn的內(nèi)部中。借助Ag_xIn_y與液態(tài)金屬?gòu)?qiáng)潤(rùn)濕性和不規(guī)則形貌，Fe₃O₄可以在酸性環(huán)境下穩(wěn)定懸浮在液態(tài)金屬中，并且在施加外部磁力時(shí)仍然有效。通過(guò)編程外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)控制，制備的磁性液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料表現(xiàn)出多種大幅度的可控變形和運(yùn)動(dòng)行為（被動(dòng)/主動(dòng)變形、分裂、融合、遷移等），并進(jìn)一步證明其能夠在體外能夠進(jìn)行靶向貨物運(yùn)輸。最后，在內(nèi)窺鏡和X射線成像的監(jiān)測(cè)下，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的液態(tài)金屬磁性軟體機(jī)器人應(yīng)用于胃部環(huán)境的可行性，為液態(tài)金屬微型軟機(jī)器人的臨床應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41920-4

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