一种用于简便快速制造含磁响应组分的水凝胶基微型机器的增材制造技术

该方法展示了一种用于制造复杂、生物相容性水凝胶微器件的制备策略，这些微器件集成了可被磁力驱动的活动部件。该技术的主要优势在于，它是一种快速且简便的微加工方法，可利用基于PET的水凝胶制造出结构复杂的器件，而此类水凝胶已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准可用于人体。由此制得的器件完全具备生物相容性，可用于植入。

首先，查阅随附的文字版实验方案，并根据该方案制备PDMS腔室并设计光刻掩模。接着，使用一片未经处理的2号玻璃盖玻片制作PDMS腔室的顶部盖片。从装置的零位开始，通过微米调节头将底部基底下降至所需高度。

加入少量 PEGDA 预聚物，用量以能够覆盖底部基底为宜，然后将顶部基底放置到 PDMS 腔室上。需确保顶部与底部基底之间无气泡残留。气泡会导致聚合后的水凝胶中形成较大的孔洞或缺陷。

接下来，将带有目标图案的光掩模放置在顶层基底的上方。确保掩模与顶层基底完全接触，并与基底底部对齐。戴上防护用紫外线护目镜。

然后通过光掩膜将水凝胶预聚物暴露于紫外光下。紫外光照射的功率和时间取决于系统类型和PEGDA配方。水凝胶层聚合后，将上层基底从PDMS腔室上剥离。

聚合后的层应粘附在顶层基底上。用过量的未交联预聚物润湿该聚合层，并避光保存，以防止该层干燥开裂。将其保存以备后续使用，用于密封组装好的装置。

为了制备底部支撑结构，首先取一片涂有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的玻璃盖玻片，将其作为PDMS腔室的上层基底。将更多的水凝胶预聚物滴加到底部基底上，并用涂有PDMS的玻璃盖玻片覆盖PDMS微井。此步骤旨在确保聚合后的层保留在底部基底上，从而使用户能够自下而上逐层构建结构。

将光掩模放置在样品上方，注意正确对齐。随后再次用紫外光照射样品。曝光后，取下上层基板，加入更多的 PEGDA 预聚物，并通过千分尺调节头将下层基板降至所需高度。

此高度应与待聚合的第二层水凝胶的厚度相对应。此时，再次用涂有PDMS的玻璃上层基板覆盖小孔，并正确对准光掩模。随后，将样品暴露于紫外光下。

根据需要重复此过程，以构建所需数量的水凝胶层。在组装和密封装置时，首先移除顶部涂有PDMS的盖玻片，并使用镊子将预制的水凝胶组件（包括齿轮和掺铁部件）放置在支撑结构上。为密封装置，首先通过千分尺螺旋测微计将底部基底调节至组装后装置的最终所需高度。

应考虑各层厚度、内部组件以及为运动部件预留的间隙，确定装置的最终高度。接下来，将预先制备并粘附在未经处理的玻璃盖片上的水凝胶层放置到部分组装的装置上。小心放置预成型层，确保其与下方结构准确对齐。

然后放置光掩模，允许对装置的顶部进行曝光，同时保护内部活动部件免受紫外线照射。在处理装置顶部时，必须确保光掩模正确对齐，以保证装置密封，同时避免活动部件暴露于紫外光下。这可以防止活动部件与支撑结构发生聚合固化。

正确对齐后，将整个结构暴露于紫外光下。从制备阶段取下玻璃盖玻片。密封的装置应粘附在上层基底上。

若装置仍粘附在底部基底上，请使用一对平头镊子小心地将装置提起。使用真空抽吸小心去除任何未聚合的 PEGDA。然后，用一对平头镊子小心地将装置从玻璃盖玻片上揭下。

将装置置于生理盐水或去离子水中至少30分钟，以使装置及其内部组件充分稳定和膨胀。为驱动该装置，将一块钕磁铁放置在装置下方或上方，距离装置1至2厘米。移动磁铁时，掺杂氧化铁的组件将随之同步运动。

这种功能性的单齿轮装置在不到15分钟内即可制备完成。该装置可通过磁铁驱动，图7B展示了氧化铁段在磁铁驱动下的不同位置。该策略可用于制备多种不同类型的水凝胶微装置。

例如，这是一个简单的门控阀，可控制药物从单一储库中的释放。掺杂氧化铁的水凝胶组分的线性运动可调控假想药物通过出口的扩散。而在此处，一个门控线性歧管可控制药物从多个储库中的释放。

每个储药腔包含假想药物，通过掺杂氧化铁的组件运动，可控制药物经由水凝胶窗口从这些储药腔中释放，从而实现药物向外扩散。此外，基于日内瓦机构的精密设计可实现间歇性运动。带有销钉的驱动齿轮能够与较大的从动齿轮啮合，驱动齿轮每旋转一周，即可带动从动齿轮旋转60度。

这种制备策略是一种用于构建多种类型水凝胶器件的通用方法。尽管我们已展示了其在制备聚乙二醇（PEG）基器件中的应用，但该策略可适用于任何类型的光聚合水凝胶。该技术制备出我们认为是下一代可植入器件：复杂且完全生物相容的器件，可通过磁性控制和驱动，而无需内置电源。