用于pH传感的多材料微机器人：自动化对准顺序3D与4D打印新策略

　　本文报道了采用顺序3D与4D打印技术结合自动化对准程序制备的多材料微机器人，实现了微尺度pH传感功能。该微机器人以硬质聚合物骨架支撑光镊操控，并通过pH响应性水凝胶传感元件（4D打印）的溶胀行为实现光学可视化读数的pH检测，在生物与化学微过程监测中展现出高机动性、可重用性和稳定性优势。

　　

1 引言

微尺度pH传感对生物与化学过程的研究和控制至关重要。当前微尺度pH测量工具存在局限性，而微机器人作为一种新兴替代方案展现出显著潜力。本研究提出利用多材料微机器人进行微尺度pH传感，其结构包含硬质聚合物骨架（支持光镊传输）和4D打印的智能材料传感元件。通过定制自动化对准程序确保智能材料与骨架的快速精准对准，并通过光学显微镜图像实现视觉读数验证。水凝胶传感元件在pH 2.3至8.8范围内表现出32±11%的尺寸增加，主要响应区间为pH 5至7，且在酸性至中性pH循环及长达2个月的储存后性能未出现显著衰减。微机器人在磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中通过光镊操控可达≈14 μm s^?1的运动速度，其溶胀响应、可重用性和高机动性使其成为微流控器件中pH传感的理想工具。

2 结果与讨论

2.1 微机器人设计

设计综合考虑了机动性和pH传感需求。微机器人整体尺寸需适配光镊70 μm直径捕获区域，并配备三个直径10 μm的球形操控柄以实现六自由度运动。硬质聚合物骨架（折射率≈1.5）适用于光镊操控，而传感元件采用pH响应性阴离子水凝胶（溶胀随pH升高而增加）。传感元件设计为等边三角棱柱形，在pH>7时相互接触形成“开启”状态，同时支持定性和定量测量。三组传感元件支持单机器人三重检测，提升可靠性。

2.2 微机器人制备

采用双光子聚合（2PP）技术分两步打印：先以IP-L光刻胶打印骨架和对准标记（旋转标记与自动化对准半球），再以丙烯酸基水凝胶光刻胶打印传感元件。通过激光功率（35–55 mW）、扫描速度（5–10 mm s^?1）、切片距离（0.2–0.4 μm）等参数优化，权衡结构完整性与溶胀率（10%–50%），最终选用47.5 mW激光功率、5 mm s^?1扫描速度等参数实现32%溶胀率。自动化对准程序基于圆形霍夫变换识别对准标记，计算阵列中心并调整载物台位置，实现±0.35 μm对准精度，显著优于系统默认的1.5 μm重复性。制备通量达≈450个/小时。

2.3 传感行为特性

传感机制基于水凝胶网络中羧基（─COOH）的质子化/去质子化反应：低pH时质子化（─COOH），高pH时去质子化（─COO^?）产生静电斥力，引发渗透压变化和各向同性溶胀。溶胀响应在5秒内达到稳态，在pH 2.3至7.4循环10次及8周储存后未出现性能衰减。溶胀曲线符合Boltzmann sigmoid拟合（R²>0.99），响应区间为pH 3–8，线性区间为pH 5–7，类似于石蕊试纸的半定量特性。温度（21.5–23.5°C）和湿度（45–55% RH）受控环境下温度影响可忽略。

2.4 光镊操控微机器人

在PBS+表面活性剂溶液中，采用反向传播光束光镊系统实现三维操控：垂直对抗重力移动速度≈7 μm s^?1，XY平面平移速度≈14 μm s^?1，旋转速度≈80° s^?1。通过移动样品台（速度≈26 μm s^?1）可实现跨区域定位。在pH 2.3和7.4环境中均保持操控稳定性。底部物镜散焦时可清晰观测传感元件溶胀状态，验证“开启”行为（pH>7时元件接触）。

3 结论

多材料微机器人通过3D/4D打印与自动化对准技术实现了微尺度pH传感，具备32±11%的溶胀响应、良好的可重用性（10次循环+8周存储）和高速光镊操控能力（≈14 μm s^?1）。其视觉读数机制简化了集成复杂度，适用于微流控通道内局部pH监测，如器官芯片细胞外pH映射、微反应器pH控制及三维微流控检测。当前局限性包括较低信噪比和有限pH范围，未来可通过材料优化（如高响应性水凝胶或多材料扩展）及结构参数调整提升性能。

4 实验部分

材料与制备

水凝胶光刻胶含0.5 mol%苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦（光引发剂）、50.7 mol%丙烯酸（单体）和48.9 mol%乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（交联剂）。基片硅烷化处理增强附着。pH溶液（2.3–8.8）由HCl、NaOH、KHP、PBS及NaHCO₃调配。打印在Nanoscribe Photonic Professional GT+系统完成，使用63×油浸物镜和定制GWL作业文件。

表征与测试

光学显微镜（KEYENCE VHX-X1F）和扫描电镜（Zeiss Supra 40 VP）用于形貌分析。溶胀测试通过打印池加注pH溶液并成像，面积变化按公式(1)计算：

$\mathrm{Area}\%\mathrm{increase}=\frac{A_{pH}?A_{2.3}}{A_{2.3}}\times 100\%$

光镊操控在Biophotonics WorkStation进行，使用1070 nm激光和50×物镜，LabView界面生成多陷阱控制。