全新光-電鑷比傳統(tǒng)光鑷操控更靈活

在過去幾十年里，有多次諾貝爾獎(jiǎng)與光鑷操控技術(shù)相關(guān)。傳統(tǒng)光鑷?yán)�用超�?qiáng)聚焦激光（~ 1×10⁷mW mm^-2）產(chǎn)生的光梯度力（皮牛，~ 10^-12 N）來操控微納顆粒，但存在系統(tǒng)復(fù)雜、光損傷、作用力小、操控范圍窄、僅適用于透明物體等問題。

新型光操控技術(shù)利用光響應(yīng)性智能材料生成的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)等，有效降低了傳統(tǒng)光鑷所需的光照強(qiáng)度，同時(shí)顯著增加了操控作用力，但這類技術(shù)仍面臨復(fù)雜系統(tǒng)、低靈活性、適應(yīng)性差等關(guān)鍵難題，嚴(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。

12月12日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了全新的光-電鑷（Photopyroelectric tweezer，PPT），實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同材質(zhì)、相態(tài)和形狀物體的非接觸、跨尺度、普適、多功能操控。相關(guān)成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”為題，發(fā)表在期刊The Innovation上。

該光-電鑷基于鐵電高分子材料構(gòu)建的光-電轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生光-電場(chǎng)，光強(qiáng)比傳統(tǒng)光鑷小7個(gè)數(shù)量級(jí)，但操控作用力比傳統(tǒng)光鑷大7個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得它能成功操作體積范圍跨越10個(gè)數(shù)量級(jí)的液滴（1 pL~10 mL），并實(shí)現(xiàn)細(xì)胞離子通道、單個(gè)細(xì)胞到細(xì)胞聚集體的不同尺度操控（圖1），為微型機(jī)器人、類器官和神經(jīng)調(diào)控等重點(diǎn)前沿科技領(lǐng)域研究提供全新工具和方法。

圖片:W020241213674955162782_ORIGIN.png

圖1.光-電鑷實(shí)現(xiàn)物體跨尺度、普適性、多功能操控

為了解決這些關(guān)鍵難題，杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì)基于前期光響應(yīng)智能材料和靜電鑷的研究基礎(chǔ)，開發(fā)出了全新的光-電鑷（Photopyroelectric tweezer，PPT），其由兩個(gè)核心元素組成：近紅外激光光源和光-電轉(zhuǎn)換器。值得指出的是，光電轉(zhuǎn)換器包含具有高效光熱釋電性能的鎵-銦液態(tài)金屬顆粒摻雜的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜，以及具有減阻、抗污染、消除導(dǎo)電介質(zhì)造成電荷屏蔽三重功能的潤(rùn)滑層，通過兩片聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）封裝集成（圖2A-C）。

圖片:gr1_lrg.jpg

圖2.PPT的設(shè)計(jì)及宏觀與微觀操控系統(tǒng)

該光-電鑷展現(xiàn)出卓越且穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換性能：僅需2 mWmm²的光照強(qiáng)度下即可產(chǎn)生0.26 V的表面電勢(shì)，光照強(qiáng)度增加即可輕松增強(qiáng)光-電場(chǎng)，并且即便在表面介質(zhì)厚度改變范圍為1 cm~10 cm和電導(dǎo)率調(diào)整范圍為1.16 mS cm^-1 ~ 91 mS cm^-1時(shí)，其光電性能仍能保持有效。光-電鑷融合了光和電場(chǎng)的雙重優(yōu)勢(shì)，成功實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景下的多功能操控，展現(xiàn)出了前所未有的靈活性和適應(yīng)性。

特別值得一提的是，相比光鑷，光-電鑷所需光照強(qiáng)度低7個(gè)數(shù)量級(jí)，卻能產(chǎn)生操控力高7個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)而成功實(shí)現(xiàn)了不同材質(zhì)（聚合物、無機(jī)物和金屬）、不同相態(tài)（氣泡、液體和固體）、不同形狀（球體、長(zhǎng)方體、螺旋線）和活魚卵等物體的非接觸、普適性、程序化操控。

此外，光-電鑷不僅可以設(shè)計(jì)成為便攜式的操控平臺(tái)用于宏觀尺寸物體操控（圖2D），而且還可與顯微成像系統(tǒng)集成，研制成顯微光-電鑷操控系統(tǒng)（圖2E，F(xiàn)）。光-電鑷的強(qiáng)大靈活性和適應(yīng)性，使其能實(shí)現(xiàn)對(duì)5 μm至2.5 mm的固體顆粒、1 pL至10 mL的液滴的跨尺度操控。

同時(shí)，光-電鑷還可以應(yīng)用于水凝膠微型機(jī)器人組裝和任務(wù)執(zhí)行、不同材質(zhì)和尺寸顆粒的篩選、活細(xì)胞的組裝、單個(gè)細(xì)胞的操控以及細(xì)胞刺激響應(yīng)等微型機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（圖3）。光-電鑷克服了傳統(tǒng)光鑷的局限性，填補(bǔ)了宏觀和微觀物體操控之間的空白，為機(jī)器人、類器官、再生醫(yī)學(xué)、神經(jīng)調(diào)控等重點(diǎn)前沿科技領(lǐng)域提供新的工具與技術(shù)，并拓展其廣闊應(yīng)用前景。

圖片:gr4_lrg.jpg

圖3.PPT在機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

杜學(xué)敏研究員為該論文的通訊作者，王芳博士、博士研究生劉聰、碩士研究生戴正進(jìn)為共同第一作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭煒研究員、博士研究生高玉峰、碩士研究生馬新岳和中國科技大學(xué)葛學(xué)武教授為該論文的共同作者。該論文獲得國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省重點(diǎn)和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等科技項(xiàng)目支持。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100742