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哈工大（深圳）馬星/金東東團隊 Nat. Commun.：通過反應潤濕制備用于小尺度軟體機器人的液態金屬/四氧化三鐵磁性復合材料

2023-10-09 來源：高分子科技

相比剛性機器人，軟體機器人能夠實現更高自由度的變形，且在碰撞時更好地吸收能量，從而有效彌補機器與人之間機械性質的差異，提高應用中的安全性。若進一步賦予軟體機器人以磁性并縮小至小尺度（毫米尺度及以下）后，則可以在磁場操控下實現人體環境中軟體機器人的遠程精確控制。此類磁性微型軟體機器人有望進入人體中常規醫療手段難以觸及的狹窄區域中執行任務，從而在生物醫學領域展現出巨大的應用價值 [Chem. Rev. 2022, 122, 5317; Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 74]。

液態金屬磁性軟體機器人因其獨特的不混溶性、可變形性和金屬屬性而受到廣泛關注。為了構建該新型的磁性軟體機器人，研究人員使用了不同磁性金屬粉末（Fe、Ni、NdFeB和Gd等）與液態金屬（鎵和共晶鎵銦合金等）進行復合。然而，這些過程往往依賴于金屬粉末與液態金屬間的合金化作用或液態金屬氧化膜黏附作用，制備得到的磁性液態金屬復合材料存在磁性隨時間衰退和金屬粉末泄漏等潛在風險。而如果使用磁性強、惰性且生物相容性好的四氧化三鐵（Fe₃O₄）磁性材料，則會由于其與液態金屬間巨大的表面能失配問題而展現出高度的不潤濕性，從而無法實現液態金屬與磁性材料的高效復合。

近期，哈爾濱工業大學（深圳）材料學院的馬星教授和金東東副教授提出了一種通過反應潤濕機制將惰性且生物相容的Fe₃O₄磁性納米粒子復合到共晶鎵銦合金（EGaIn）中的策略。首先，為了解決Fe₃O₄和EGaIn之間固有的界面不潤濕性，引入了銀作為中間過渡層與液態金屬中的銦發生反應以產生Ag_xIn_y金屬間化合物（IMCs）。該反應過程不僅促進了Fe₃O₄納米粒子與EGaIn潤濕（即反應潤濕），還將磁性顆粒錨定在液態金屬內部以提高磁驅動時的磁穩定性。隨后，作者團隊基于該復合材料體系構建了一種液態金屬磁性微型軟體機器人，其在外部磁場的驅動下能夠實現各種可控變形和運動行為，且在內窺鏡和X射線成像的原位監測下于離體豬胃中展現了靶向遞送應用的實際可行性。該策略在未來不僅可以進一步拓寬液態金屬復合材料體系庫，也能為用于臨床醫學的磁性軟體機器人提供新的思路。該工作近期以“Reactive wetting enabled anchoring of non-wettable iron oxide in liquid metal for miniature soft robot”為題發表于Nature Communications。文章第一作者是哈爾濱工業大學（深圳）材料學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. 利用反應潤濕錨定效應制備液態金屬磁性微型軟體機器人。

圖2. 液態金屬與改性Fe₃O₄磁性顆粒的復合效果。

圖3. 液態金屬磁性軟體機器人在磁場控制下實現按需操縱。

圖4. X射線成像引導下的液態金屬磁性軟體機器人在離體豬胃中磁控導航。

總之，該工作提出了一種消除金屬氧化物與液態金屬間表面能不匹配問題的復合材料制備策略，可有效提高兩者之間的潤濕性，并可通過機械研磨、電化學輔助、酸輔助等多種方式實現EGaIn和Fe₃O₄納米顆粒之間的高效復合。制備的Ag_xIn_y金屬間化合物有助于將磁性顆粒限制在EGaIn的內部中。借助Ag_xIn_y與液態金屬強潤濕性和不規則形貌，Fe₃O₄可以在酸性環境下穩定懸浮在液態金屬中，并且在施加外部磁力時仍然有效。通過編程外部磁場的驅動控制，制備的磁性液態金屬復合材料表現出多種大幅度的可控變形和運動行為（被動/主動變形、分裂、融合、遷移等），并進一步證明其能夠在體外能夠進行靶向貨物運輸。最后，在內窺鏡和X射線成像的監測下，驗證了所開發的液態金屬磁性軟體機器人應用于胃部環境的可行性，為液態金屬微型軟機器人的臨床應用實現提供了有力支撐。

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

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（責任編輯：xu）

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