可编程微尺度水凝胶驱动器的响应调控新策略：基于粒子打印的多材料集成与功能设计

本综述系统介绍了一种结合双光子聚合（2PP）与毛细辅助粒子组装（CAPA）的创新微纳加工策略，成功实现了具有可调体积相变温度（VPTT，23–60°C）的水凝胶微结构精准构筑。通过调控聚合物亲疏水平衡与多材料空间排布，该技术突破了传统微驱动器的响应局限，为软体机器人、生物医学器件与动态微流控系统提供了全新的设计范式。

　　

引言

微尺度结构的精准制造在软体机器人、生物医学工程和微流控技术等领域具有重大需求。双光子聚合（Two-photon polymerization, 2PP）凭借其超高分辨率优势，已成为制备复杂三维微结构的核心技術。然而，如何在微尺度实现可编程的形变控制仍面临巨大挑战。现有水凝胶系统在材料设计与多材料集成方面存在明显局限性。本研究提出的"粒子打印"（Printing on Particles, PoP）策略，通过将2PP与毛细辅助粒子组装（Capillarity-Assisted Particle Assembly, CAPA）相结合，成功构建了具有可调体积相变温度（Volume Phase Transition Temperature, VPTT）的粒子模板化水凝胶结构。

结果与讨论

通过微流控技术合成的微凝胶模型系统，研究人员系统表征了不同聚合物组成（PNnPAM、PNIPAM和PNEAM）的温度响应行为。研究發現，通过调整单体比例可精确调控VPTT值，其变化范围覆盖23°C至60°C。亲疏水平衡的精细控制是实现这一调控的关键机制。

在工程化水凝胶VPTT方面，研究团队优化了交联剂和光引发剂浓度，确保了所有组成材料的可打印性。打印的水凝胶连接件表现出与微凝胶相似的溶胀-消溶胀行为，长度变化幅度达40-50%。值得注意的是，由于聚合方法和溶剂的差异，打印水凝胶与微凝胶的VPTT值存在轻微偏移，这主要源于聚合物网络均质性和交联密度的不同。

多态响应结构的实现展示了该技术的突出优势。通过将刚性树脂（IPL）与响应性水凝胶顺序打印，研究人员构建了具有局部化、分步驱动能力的复合系统。三角形结构中的单一PNIPAM水凝胶连接件实现了可逆的双态驱动；正方形结构中两种不同VPTT的水凝胶连接件（PNnPAM-PNIPAM和纯PNIPAM）实现了从初始正方形到梯形再到矩形的三态连续转变；六边形结构中引入第三种水凝胶材料（PNIPAM-PNEAM）后，更实现了明确定义的四态可逆转变序列。

通过引入丙烯酸（AAc）实现pH依赖的电荷调控，为系统增加了新的响应维度。在pH 6条件下，聚（NIPAM-co-AAc）水凝胶表现出显著的滞后现象，这是由于去质子化的羧基基团增加了电荷密度，进而提高了VPTT并改变了水扩散动力学。这种滞后行为为各向异性动态响应和可编程驱动提供了新的可能性。

结论与展望

该研究建立了一个强大而通用的微尺度驱动平台，通过CAPA和2PP的技术融合，实现了响应特性的系统化调控和精确空间控制。多材料架构的构建能力与电荷依赖的滞后效应相结合，为先进软体机器人和微系统（如微抓手、微游泳器、靶向药物递送和响应性组织支架）的发展开辟了新途径。未来研究可聚焦于更多响应刺激（如光或生化信号）的集成，以及长期性能、稳定性和规模化应用探索。

实验方法

研究采用了N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、N-正丙基丙烯酰胺（NnPAM）和N-乙基丙烯酰胺（NEAM）等温敏性单体，通过微流控技术制备微凝胶模型。CAPA模板通过2PP技术加工制备，硅胶粒子经过甲基丙烯酸酯官能化处理以增强与打印结构的粘附。热响应性墨水通过在1,2-丙二醇中溶解单体混合物、交联剂（BIS）和光引发剂（TPO）制备而成。多材料结构的制造采用商业2PP系统（Photonic Professional GT2）配合63倍油浸物镜完成。结构的释放通过溶解葡萄糖-葡聚糖牺牲层实现。温度响应行为通过加热台和光诱导加热（金涂层玻片结合LED照明）两种方式表征。