这篇论文的研究内容由德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所的Shuaizhong Zhang及其所在团队完成，研究成果发表在《Science Advances》期刊上。该研究聚焦于开发一种新型的微米级无线磁性人工纤毛，具有可编程的变相协调能力，旨在为微流体系统和生物医学工程提供创新的解决方案。
生物纤毛在自我推进、食物捕获和细胞运输等方面发挥着重要作用，其协调的变相运动是实现这些功能的关键。然而，在微米尺度上模拟生物纤毛的变相协调运动面临着许多挑战，主要是由于现有的制造方法和材料的限制。因此，研究人员致力于开发一种新型的人工纤毛，能够在微米尺度上实现无线驱动和变相编程。研究团队采用了直接激光打印技术（2PP）结合磁性驱动的方法，成功制造出具有生物相容性的人工纤毛。每根纤毛由丝素蛋白水凝胶梁和硬磁性FePt Janus微粒组成。通过编程控制FePt Janus微粒的方向，研究人员能够实现可编程的变相协调，从而生成多样化的微流体模式。
在研究过程中，团队面临了几个主要的挑战。首先，材料选择是一个重要的难点。大多数用于制造人工纤毛的磁性复合材料对细胞有毒性，而生物相容性好的材料（如铁氧化物纳米颗粒）则缺乏足够的磁性。因此，选择合适的材料以确保生物相容性和磁性是一个重要的挑战。其次，制造精度也是一个关键问题。在微米尺度上制造复杂的结构需要高精度的控制。研究团队通过优化激光打印参数和磁性微粒的定位，克服了这一难题。此外，性能稳定性在高温和长时间操作下也至关重要。研究中通过对材料的热稳定性和机械性能进行测试，确保了其在实际应用中的可靠性。
这项研究的成功为微流体设备和生物医学工程开辟了新的应用前景。未来，研究团队计划进一步探索生物医学应用，开发能够在体内进行生物液体运输和细胞操作的人工纤毛，推动生物医学设备的发展。此外，利用可编程的变相协调能力，设计出能够生成复杂流动模式的微流体系统，应用于细胞培养和化学分析等领域也是未来的研究方向。研究团队还计划通过改进3D打印技术，制造出更复杂的微米结构，提升人工纤毛的功能性和适用性。
在制造过程中，研究团队使用了Nanoscribe的设备Photonic Professional进行直接激光打印，这种设备能够实现高精度的3D打印，确保了人工纤毛的结构和性能。通过结合Nanoscribe的技术，研究人员能够在微米尺度上精确控制丝素蛋白水凝胶的打印过程，从而实现了高分辨率的结构设计和制造。这一技术的应用不仅提高了制造效率，还为后续的生物相容性和机械性能测试提供了可靠的基础。
其团队的研究为微米级无线磁性人工纤毛的开发提供了新的思路和方法，展示了其在微流体系统和生物医学工程中的广泛应用潜力。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，未来的研究将进一步推动这一领域的发展，为人类健康和科学研究做出更大的贡献。研究团队的努力不仅为人工纤毛的应用奠定了基础，也为未来的生物医学设备和微流体系统的创新提供了新的可能性。
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https://doi.org/10.1126/sciadv.adf9462