小纖毛普遍存在于自然界里，比如在水生生物和人體中，是一種微小的毛發(fā)狀細(xì)胞突起。其長度一般在1～30微米之間，在低雷諾數(shù)（用于表征流體流動情況的無量綱數(shù)）范圍內(nèi)的跳動頻率為幾十赫茲。

它們具有十分強大的功能，比如自清潔、食物捕獲、腦脊液運輸、卵細(xì)胞遞送等，對包括人類在內(nèi)的許多生物系統(tǒng)的生存和健康來說至關(guān)重要。

在對天然纖毛的功能進行探索的基礎(chǔ)上，來自德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的團隊，制備了一種磁控人造纖毛（MAC）。

具體來說，該團隊基于硬磁性鐵鉑合金材料和絲素水凝膠材料，采用雙光子聚合技術(shù)和磁性操縱技術(shù)，直接3D打印出具有生物相容性和異時可編程性的MAC陣列。這種人造纖毛的長度與天然生物纖毛的長度非常接近，整體尺寸大概在20微米左右。

他們對制備出的纖毛的磁性、力學(xué)和生物學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)這種纖毛表現(xiàn)出了穩(wěn)定的致動性能、耐高溫性和高機械耐久性，能夠在可編程微流控系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程和生物相容性植入物等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

舉例來說，在微流控領(lǐng)域，MAC可以用來傳送包括生物流體在內(nèi)的微流體，并通過操控微流體，實現(xiàn)對單個細(xì)胞的捕捉和特定細(xì)胞的分離等生物細(xì)胞方面的研究。

“我們在未來想要開發(fā)一種對單細(xì)胞進行操作的技術(shù)，這有助于在人體早期發(fā)病時，就檢測出其是否有罹患癌癥的風(fēng)險?！钡聡R克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所洪堡學(xué)者張帥重表示。

同時，在水生生物表面附著的小纖毛，能夠發(fā)揮在水面浮游的功能。在這方面，該團隊想利用MAC來制造可以浮游的微型機器人。

此外，由于小纖毛的正常運行是人體諸多基本功能得以完成的前提條件，比如人體肺部以及呼吸道內(nèi)所分布的纖毛決定了人體是否可以有效地清除掉含有病毒與細(xì)菌的粘液，這是防止人們受到感染的最重要環(huán)節(jié)之一（纖毛損失可導(dǎo)致慢性呼吸疾病-囊性纖維化癥）。人類胚胎時期的纖毛決定了包括心臟在內(nèi)的多個器官在人體內(nèi)的位置分布（纖毛損壞可導(dǎo)致器官錯位，比如導(dǎo)致心臟位于人體右側(cè)，而非正常情況下的左側(cè)）。因此他們也想通過對可植入式人造纖毛的研究，助推相關(guān)疾病的治療。

2023年3月22日，相關(guān)論文以《具有異步可編程性的3D打印微米級無線磁性纖毛》為題發(fā)表。

張帥重博士、西北工業(yè)大學(xué)胡星浩教授和馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所洪堡學(xué)者李朦為該論文的共同第一作者，馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所梅廷·斯蒂教授擔(dān)任該論文的通訊作者。

據(jù)張帥重介紹，2019年他博士畢業(yè)于荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)，2021年獲得德國洪堡基金會的資助，以洪堡學(xué)者的身份來到馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所開展博后研究，師從國際著名微小尺度機器人先驅(qū)斯蒂教授。

他剛加入斯蒂教授課題組，便開始了對小纖毛的研究。在對光驅(qū)、電驅(qū)等小纖毛的各種驅(qū)動方式進行了研究之后，該課題組決定采用磁場作為無線驅(qū)動刺激。

“這種方式能讓小纖毛在瞬間對外界磁場做出響應(yīng)，具有良好的可控性。并且，由于我們想將小纖毛主要用于微流控領(lǐng)域，就必須確保驅(qū)動方式和該領(lǐng)域生物研究方向所用的液體之間，不會產(chǎn)生電解等副作用，而磁性驅(qū)動也正好符合我們的要求?！睆垘浿亟忉屨f。

此外，同樣需要說明的是，他們一開始選用的材料并不是鐵鉑這種金屬磁性材料，而是鎳鐵材料。但由于后者作為軟磁性材料無法產(chǎn)生磁場，且可編程化較低，這才改用鐵鉑材料。

但是，鐵鉑的比例和鐵鉑合金的薄膜厚度，也會對磁性材料的磁性產(chǎn)生重要影響，所以他們在加工鐵鉑雙面球材料的過程中，用了近三個月時間，才生產(chǎn)出比較合適的鐵鉑雙面球。

那么，他們又為什么要采用3D打印這種加工方式呢？

這是因為，他們所使用的雙光子3D打印機，具有非常高的分辨率，可以達到納米級別，這正好與天然纖毛的正常尺寸相近。同時，他們還可以打印任意二維或三維的MAC陣列，并產(chǎn)生可控的二維或三維的流場，這是之前的人造小纖毛無法實現(xiàn)的。

目前，該團隊只是采用了絲素水凝膠和磁性材料來制備小纖毛。未來，他們還計劃與材料領(lǐng)域的研究者們合作，用多刺激響應(yīng)的材料制備人造小纖毛，以實現(xiàn)可編程化程度更高、響應(yīng)速度更快、更接近天然小纖毛的運動狀態(tài)。

“小纖毛對于決定人體是否能夠正常生存來說非常重要，我希望它能夠得到更多科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注。”張帥重說。