麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）联合洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）与辛辛那提大学（University of Cincinnati）的研究团队在《Matter》期刊上发表了一项研究成果，开发出了一种结合3D打印技术制造软磁性水凝胶微结构的新方法。这种方法能够打印出尺寸小于1毫米、可被普通磁铁远程驱动的精密结构，解决了长期以来在微尺度制造磁性组件时精度受限的难题。
在微机电系统、软体机器人以及生物医学工程中，能够用磁场远程操控的微型执行器有着广阔的应用前景。然而，传统的微尺度3D打印技术——两光子聚合（Two-photon polymerization, 2PP）——在加工磁性复合材料时遭遇了瓶颈：在光敏树脂中直接添加磁性纳米颗粒会导致激光散射和吸收，破坏固化过程，使得最终结构机械强度不足甚至无法成型。MIT此次提出的方案将打印和赋磁步骤完全解耦，从根源上规避了这一问题。
技术突破：分离打印与磁化过程
研究团队开发的后处理方法简单但巧妙。他们首先采用标准2PP工艺，使用不添加任何磁性材料的纯聚合物凝胶打印出所需的微结构。打印完成后，将结构浸入含有二价铁和三价铁离子的水溶液中，让凝胶网络充分吸收铁离子。随后再将其转移至碱性氢氧化物溶液中进行处理。氢氧根离子扩散进入凝胶内部后与铁离子发生共沉淀反应，原位生成纳米尺度的四氧化三铁（Fe3O4）颗粒，这些颗粒均匀分布在凝胶基体中并表现出明显的超顺磁性。
由于磁化步骤完全位于打印环节之后，激光在固化过程中不会受到磁性成分的干扰，因此2PP固有的高分辨率得以完整保留。同时，凝胶网络作为模板牢固地束缚住了生成的纳米颗粒，有效避免了颗粒的团聚和泄漏。这种方法在保持结构细节的同时，赋予了聚合物微结构稳定且可控的磁响应能力。
研究人员在论文中强调，该方法的材料普适性良好，可以选择不同的凝胶前体和离子组合，以调整最终水凝胶的机械性能和磁性强弱，具有较高的灵活性。
精确调控：定制化磁响应强度
除了实现高分辨率的磁性嵌入外，新方法还具有一个独特优势：可以通过调节打印过程中的激光功率来精确控制特定区域的磁响应强度。在2PP光固化过程中，较高的激光功率会导致凝胶交联密度增大，网络孔隙减小，从而在后续浸泡时吸收的铁离子总量降低，最终生成的磁性纳米颗粒更少，宏观磁响应较弱。相反，采用较低激光功率打印的区域交联密度小，能够吸收更多铁离子，表现出更强的磁响应。因此，研究人员可以在单个微结构内实现“无级”的磁性梯度。
为验证这一概念，团队设计并打印了一组棒棒糖形状的微结构阵列。每个棒棒糖的高度均小于1毫米，其球形头部直径比沙粒更小。通过对每个头部分别赋予不同的激光功率，他们使每个球体获得了差异化的磁性纳米颗粒浓度。当一块普通的冰箱磁铁从培养皿上方经过时，这些球体按照磁性强弱的顺序依次向磁铁方向偏转，呈现出类似手指逐个弯曲合拢的连贯动作。这一演示直观地展示了该方法在构建具备协同运动功能的微型执行器方面的潜力。
研究团队指出，这种空间磁响应梯度的编程能力是现有其他微尺度磁化方法难以实现的。此前若要获得不同区域的磁性强弱变化，往往需要多步曝光、多种材料组合或在磁化过程中施加非均匀磁场。新的后处理吸收法以极其简便的方式达成了同样的效果，且完全兼容常规的2PP设备。
应用前景：从微型开关到仿生驱动器
在进一步的实验中，团队将同一技术应用于构建一个微型双稳态开关。该结构主体是一个长约1毫米的矩形块，其两侧延伸出一对船桨形状的磁臂，磁臂厚度仅约8微米，大致等同于人体红细胞的宽度。外磁场的施加方向决定磁臂的翻转方向，从而使矩形块在两个稳定状态之间切换。这种双稳态机构非常适合作为微流控芯片中的磁控阀门，通过外部磁铁远程控制流路通断，无需额外的电源或物理连接。
此外，该磁性水凝胶结构在水下环境中也展现出优异的驱动特性。论文中报告了类似生物纤毛的节律性摆动运动（metachronal waving），这种群体性的波浪状摆动对流体操纵具有重要意义。结合磁性水凝胶的生物相容性和柔性特点，研究团队认为这类结构可被用于开发智能靶向药物载体、自适应光学元件以及实现微尺度物体的远程操控与组装。论文还讨论了将这种两步法扩展到更大尺度和更复杂装配平台的技术路线。
软磁性水凝胶微结构的3D打印新方法，通过在时间和空间上分离成型与赋磁过程，有效解决了长期限制该领域发展的技术问题。其高分辨率、可编程磁响应和简便的后处理步骤，为微尺度的磁性执行器、软体机器人和生物医学器件提供了全新的制造路径。该研究成果已于近期发表在Cell Press旗下的《Matter》期刊上。
名词解释：
两光子聚合（Two-photon polymerization, 2PP）：一种基于双光子吸收效应的非线性3D打印技术，使用飞秒脉冲激光在光敏树脂中引发聚合反应。由于双光子吸收仅发生在焦点体积内，因此可以实现深亚微米级的空间分辨率，常用于制造微光学器件、光子晶体和微型机械结构。
软磁性水凝胶（Soft magnetic hydrogels）：一类将磁性纳米颗粒分散或生长在亲水性聚合物水凝胶基体中的复合材料。结合了水凝胶的柔软性、含水量和生物相容性，以及磁性材料的远程驱动能力，在软机器人、组织工程和药物靶向递送中具有应用潜力。
氧化铁纳米颗粒（Iron-oxide nanoparticles, Fe3O4）：具有超顺磁性的纳米粒子，在磁场下可被磁化且撤场后剩磁极低。可通过化学共沉淀等方法制备，因其良好的生物相容性和易于调控的磁性，广泛应用于生物分离、磁共振成像造影和磁热疗等生物医学领域。
本文参考来源：3D Printing Industry
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