童程童美少兒編程教育

                                                            少兒編程 > 文章資訊 > 3D打印 > 可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            童程童美 2016-08-29

                                                            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。

                                                            摘要

                                                            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“游動”,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打印技術在制造體內微型機器人中發揮了重要作用。我們一起了解幾個3D打印的體內微型機器人。

                                                            3D打印塑造外形 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》雜志上,曾發表過一篇名為《3D打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。

                                                            可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            研究人員使用雙光子光刻技術3D打印技術制造出了一個微米級的微型機器人Microswimmers。該文探討了利用3D打印技術制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,并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,并可以攜帶“貨物”。研究團隊由此受到啟發,使用同樣的3D打印技術制造出了螺旋形的微型貨船機器人,這種微型機器人表面涂覆了鎳和鈦,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

                                                            可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            美國加州大學納米工程系的科學家曾3D打印出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??茖W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。

                                                            可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            美國加工大學科學家制造微型魚的技術是一種納米級的快速3D打印技術,稱之為微尺度連續光打印(μCOP,Microscale Continuous Optical Printing)。微尺度連續光打印(μCOP)技術主要依賴一種數字微鏡裝置(DMD)芯片,并使用大約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打印技術,對打印材料進行逐層固化。該技術使科學家們能夠制造出各種形狀的微型魚(蝠鲼,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制造出來。

                                                            為了能夠以一種經濟和可擴展的方式3D打印出精細而逼真的人造微型魚,科學家優化了μCOP打印系統??茖W家們已能夠使用三種不同的功能性納米粒子制造出微型機器魚,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,可用于中和有害的毒素)。

                                                            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打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。

                                                            可用于疾病診斷和治療的3D打印微型機器人

                                                            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制造的。它們獲得的推動力來自于機器人身體上分布的催化劑,常見的催化劑是鉑。這些材料制造成本高,并且制造難度大。而微型火箭機器人并不是依靠鉑金屬來獲得推動力的。那么,它是如何在體內游動的呢?原來發生在打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臺噴墨式3D打印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。過氧化氫酶隨后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,由于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,所以將他們應用于人體內的藥物運輸和癌細胞定位更加安全。噴墨3D打印技術的作用是制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已經發表在Small 雜志中,題目是:Reactive inkjet printing of biocompatible enzyme powered silk micro-rockets。

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