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  磁性軟體變形結(jié)構(gòu)具有遠(yuǎn)程驅(qū)動、無約束、操控性強及可穿透封閉空間的優(yōu)勢，在軟體機器人以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的潛力。近年來，關(guān)于磁性軟體變形結(jié)構(gòu)的研究層出不窮，成為軟體機器人的研究熱點。水凝膠作為常見的軟材料，具有良好的生物相容性、刺激響應(yīng)性的特點，是制造軟體機器人的良好材料。然而關(guān)于磁性水凝膠的變形結(jié)構(gòu)鮮有報道，因為水凝膠含有大量水分，磁粉含量有限，磁化強度較低，難以在靜態(tài)磁場中驅(qū)動。

  針對此問題，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院唐敬達(dá)副教授等人，采用直寫打印制備了磁性水凝膠/硅橡膠的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用磁性溫敏水凝膠的磁熱效應(yīng)實現(xiàn)了復(fù)雜變形，并展示了該變形結(jié)構(gòu)在磁熱療方面的初步應(yīng)用。 研究成果以“Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy”為題發(fā)表在《Extreme Mechanics Letters》上。

  研究人員基于課題組之前的3D打印異質(zhì)結(jié)構(gòu)的強韌粘接技術(shù)（Adv. Funct. Mater. 2019, 1901721）和水凝膠磁熱驅(qū)動變形原理（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, 21194?21200），提出了磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)變形結(jié)構(gòu)的3D打印方法。為實現(xiàn)水凝膠磁控復(fù)雜變形結(jié)構(gòu)，需要對磁性水凝膠的打印性能、力學(xué)性能、磁學(xué)性能和粘接性能四個方面進(jìn)行調(diào)控。

圖1 磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)變形結(jié)構(gòu)的3D打印

  首先打印了磁性水凝膠的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過拉伸 “熊貓”圖案，直觀地展示了磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的界面粘接性能，為水凝膠磁控復(fù)雜變形結(jié)構(gòu)的制造奠定了基礎(chǔ)。

圖2 磁性水凝膠與磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)

  其次，作者對磁性水凝膠的磁學(xué)性能、力學(xué)性能和粘接性能進(jìn)行了定量表征。

圖3 磁性水凝膠的磁學(xué)、力學(xué)、粘接性能

  設(shè)計了多種磁性水凝膠/硅橡膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過3D打印的方式予以實現(xiàn)，在動態(tài)磁場中驅(qū)動變形。 

圖4水凝膠磁控復(fù)雜變形結(jié)構(gòu)

  最后，開展了水凝膠磁控變形結(jié)構(gòu)包裹腫瘤細(xì)胞（黑色素瘤細(xì)胞），并進(jìn)行磁熱療的體外細(xì)胞實驗，結(jié)果表明該變形結(jié)構(gòu)對腫瘤細(xì)胞的殺死率高達(dá)50%。

圖5水凝膠磁控變形結(jié)構(gòu)包裹腫瘤細(xì)胞進(jìn)行磁熱療

  該研究工作發(fā)表于Extreme Mechanics Letters。西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授為第一作者，王鐵軍教授為通訊作者。西安交大前沿院郭保林教授為論文合作作者。

  論文信息及鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431621000778

作者簡介：

  唐敬達(dá)，西安交通大學(xué)副教授，北京大學(xué)與哈佛大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士（導(dǎo)師為方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進(jìn)入西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院工作，在軟物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域開展研究。發(fā)表論文20余篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表在Matter,J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。

  下載：Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy