一种水凝胶机器人及其制备方法与应用

1.本发明涉及微型机器人相关技术领域，尤其是涉及一种水凝胶机器人及其制备方法与应用。

背景技术：

2.癌症是威胁人类健康的主要杀手之一，全球大约六分之一的死亡由癌症造成，癌症每年导致约1千万人死亡。目前癌症的方法主要包括化疗、放疗、手术、免疫以及多种方法相结合，但这些方法都对人体正常组织有不同程度的副作用。目前，研究者们设计具有各种功能的载药纳米颗粒用来检测和杀死肿瘤细胞，但是多数是利用循环系统将诊疗药物被动扩散至病灶处，这种方法的药物递送效率非常低。
3.微纳机器人尺寸小，可以到达人体内非常狭窄的区域进行医疗任务，使用微纳机器人靶向递送药物可以使药物更多地富集在肿瘤部位，大大提高药物的效果，减少药物的使用剂量以及对正常组织器官产生更少损害。因此，微纳机器人在癌症等领域具有巨大的潜力。
4.磁场具有生物兼容性好、可以穿透较深的组织以及可以实现远程操控的特点，磁性微型机器人受到广泛的关注和研究。水凝胶是与人体自然组织比较接近，含水量丰富的生物软材料。目前可变形的磁性微型机器人通过控制磁性材料在微型机器人内部的排列或者设计一些铰链来实现，这些磁性微型机器人需要复杂的设计和制备工艺，很难满足批量制备的要求。此外，水凝胶微型机器人的制备多数是基于光固化的方法如光刻，光固化3d打印以及双光子聚合等，过去主要是将磁性材料分散至水凝胶预聚物溶液中，然后再通过基于光固化的方法制备磁性水凝胶微型机器人，随着机器人的尺寸减小，将磁性材料嵌入到机器人的内部变得更加困难，同时也有理论分析表明，随着微型机器人的尺寸减小，相比于微型机器人的内部，在微型机器人的表面可以装载更多的磁性材料，即大多数的磁性材料将不会装载到微型机器人的内部，而是装载到微型机器人的表面。这是因为当微型机器人的尺寸较小时，将磁性材料嵌入到机器人的内部对磁性材料在水凝胶预聚物溶液的分散性有较高要求，而现有的水凝胶预聚物溶液大多都达不到此要求。
5.基于此，现有的微型机器人存在以下问题：1.磁性微型机器人需要复杂的设计和制备工艺，很难满足批量制备的要求；2.将磁性材料嵌入到微型机器人的内部十分困难。因此，急需一种性能更佳的磁性微型机器人以及可以实现大批量制备该磁性微型机器人方法。

技术实现要素：

6.本发明所要解决的第一个技术问题是：
7.提供一种水凝胶机器人。
8.本发明所要解决的第二个技术问题是：
9.提供一种所述水凝胶机器人的制备方法。
10.本发明所要解决的第三个技术问题是：
11.所述水凝胶机器人的应用。
12.为了解决所述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：
13.一种水凝胶机器人，所述水凝胶机器人为微米级别的平面非手性结构；所述水凝胶机器人的内部和表面皆负载有具有光热转换特性的磁性材料。
14.根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：
15.1.微米级别：微米级别的机器人，能够应用于更多的实际场合。随着机器人的尺寸减小，相比于机器人的内部，在机器人的表面可以装载更多的磁性材料，即常规的微米级机器人，磁性材料将不会装载到微米级机器人的内部，而是只能装载到微型机器人的表面。
16.2.非手性结构：非手性结构的水凝胶机器人，它在旋转磁场作用下可以实现旋转平移耦合的运动，即将螺旋运动转变为平移运动，从而可以脱离基底表面实现有效推进的游动。相比于手性结构，比如螺旋形结构，非手性结构的几何形状更简单，所以制备更加简单，成本更加低廉，可以通过光刻实现大批量制备与工业化生产，满足需要大量微型机器人的场合。
17.3.所述水凝胶机器人的内部和表面皆负载有具有光热转换特性的磁性材料：一方面可以使所述水凝胶机器人具有磁性，使其可以实现磁场驱动，另一方面，借助所述具有光热转换特性的磁性材料的光热转化特性，又可以使所述水凝胶机器人具有近红外光响应特性。
18.4.近红外光响应特性：本发明的水凝胶机器人，因为载体为水凝胶，而水凝胶本身具有温敏性，使得所述水凝胶机器人也是一种温敏水凝胶机器人。同样，因为水凝胶机器人负载的是所述具有光热转换特性的磁性材料，该材料也可以响应温度变化，这使得当温度升高至超过温敏水凝胶的下临界转变温度时，负载有磁性材料的水凝胶机器人的体积会显著减小。本发明的所述水凝胶机器人可以通过外界温度调节其尺寸，从而可以通过一些自身原始尺寸更小的区域。
19.5.进一步的，本发明中的所述水凝胶机器人具有多刺激响应的特点。温敏水凝胶机器人表面负载的所述具有光热转换特性的磁性材料具有良好的光热转换特性，因此所述水凝胶机器人不仅可以通过磁场实现运动的远程操控，同时也可通过近红外光改变所述水凝胶机器人的尺寸大小、表面亲疏水性以及内部孔隙大小等，可以通过磁场控制所述水凝胶机器人到达靶向部位，然后利用近红外光响应可以实现药物的可控释放，用于皮下肿瘤，同时在组织工程中通过磁场控制所述水凝胶机器人搬运细胞，然后通过近红外光响应实现细胞的释放。
20.6.将磁性材料与水凝胶结合，制备出的磁性水凝胶微型机器人具有以下特点：柔性好、造成创伤小和生物兼容性好，为了使磁性的所述水凝胶机器人能够适应更加复杂的环境以及赋予其更多功能，本发明设计了具有刺激响应能力的的所述水凝胶机器人，使得的所述水凝胶机器人具有磁响应能力和热敏性。
21.根据本发明的一种实施方式，所述水凝胶具有响应刺激的性能。在温度和近红外光照射下实现尺寸的可逆变化，将这些刺激响应的水凝胶和具有光热转换特性的磁性材料结合可以制备出可实现复杂变形以及具有刺激响应功能的水凝胶机器人。
22.根据本发明的一种实施方式，所述水凝胶微型机器人为平面非手性结构。同螺旋形结构一样，它也可以实现将旋转运动转变为平移运动。所述结构是可以实现游泳推进的最简单的结构，对于形状更加简单的球状，杆状以及立方体等结构，理论上它们只能沿壁面滚动，无法脱离基底实现游动。所述的微型机器人由于简单的平面结构，可以通过光刻实现大批量制备，满足需要大量微型机器人的场合。
23.根据本发明的一种实施方式，所述水凝胶机器人为l形结构，具有两臂。所述水凝胶机器人为l形结构，有利于所述水凝胶机器人的游动效率。
24.根据本发明的一种实施方式，所述水凝胶机器人为l形结构，具有两臂，所述两臂的夹角为90
°‑
120
°
。可以根据需要，选择合适的掩膜板，对所述水凝胶机器人的结构进行调整，以适应不同的应用场所。
25.根据本发明的一种实施方式，所述两臂的长度相同，所述两臂的长度选自20μm-200μm。由于所述水凝胶机器人会根据外界温度、ph和离子浓度变化等情况下实现尺寸的可逆变化，因此，所述水凝胶机器人的尺寸需要考虑到最大和最小的时候，是否会影响所述水凝胶机器人在组织见的传递和在血管中的传递。
26.根据本发明的一种实施方式，所述两臂的宽度选自10μm-100μm。所述两臂的宽度需要适应所述水凝胶机器两臂的长度。
27.为了解决所述第二个技术问题，本发明采用的技术方案为：
28.一种制备所述水凝胶机器人的方法，包括以下步骤：
29.s1将预聚物溶液加入封闭腔体中，经紫外光曝光，得到水凝胶；
30.s2混合所述水凝胶与所述具有光热转换特性的磁性材料，得到所述水凝胶机器人。
31.根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：
32.1.本发明所用的水凝胶是聚异丙基丙烯酰胺(pnipam)，它是单体异丙基丙烯酰胺(nipam)经过交联剂聚合得到的高分子聚合物，在不引入共聚物的情况下，它的下临界转变温度为32℃，接近于人体的正常体温，同时也可与丙烯酸或丙烯酰胺等形成共聚物，提高其下临界转变温度。pnipam的合成有光聚合和化学聚合两种方式，化学聚合的方式不适合用来制备有特定图案的温敏水凝胶，且聚合条件更加严格，并且可控性不如光聚合，因此可以用光刻，3d打印或双光子聚合等方式来制备，考虑到本发明中的微型机器人是平面结构，光刻是最简单，成本低，可批量化制备的方式。
33.2.本发明中所述水凝胶机器人的制备方法可以降低对所述具有光热转换特性的磁性材料分散性和浓度的要求，同时也不影响制备出的所述水凝胶机器人的磁性性能。现有技术中，会将磁性材料分散至水凝胶预聚物溶液中然后通过光固化制备所述水凝胶机器人，但磁性材料分散性不好会使其难以嵌入温敏水凝胶机器人的内部，同时，磁性材料负载于水凝胶上，对紫外光线的遮挡会影响水凝胶微型机器人的光固化制备。在本发明的制备方法中，先制备出水凝胶，然后将所述具有光热转换特性的磁性材料负载至光固化制备的温敏水凝胶微型机器人表面可以避免上述问题，同时可以获得不错的磁响应性能和磁场驱动效果。
34.3.进一步的，所述方法也可以应用到其他平面结构中，利用材料的各向异性的特
点在温度变化下可实现从二维到三维结构的转变，从而实现更复杂的变形，如抓取微小物体的抓手，可从带状变成螺旋状，一些可变形的折纸机器人。
35.根据本发明的一种实施方式，所述预聚物溶液的配置，包括以下步骤：混合异丙基丙烯酰胺、交联剂和光引发剂于溶剂中，得到预聚物溶液。
36.根据本发明的一种实施方式，还包括将所述具有光热转换特性的磁性材料溶于溶剂以得到具有光热转换特性的磁性材料的溶液，所述溶液的浓度为10-20mg/ml。所述具有光热转换特性的磁性材料在水凝胶预聚物溶液中的浓度也会极大影响磁性水凝胶微型机器人的制备效果，过高浓度磁性材料会对光线产生遮挡导致聚合困难，微型机器人难以成形，过低的浓度会导致制备的机器人磁矩较弱，机器人的驱动能力较弱，难以实现有效的磁控。而先通过光固化制备好水凝胶微型机器人，然后通过水凝胶的孔隙和其表面吸附作用将磁性材料装载至水凝胶微型机器人上会是一种简单且效果不错的选择，该方法制备的磁性水凝胶微型机器人拥有不错的磁驱性能，但是在制备工艺上更加简单
37.根据本发明的一种实施方式，所述预聚物溶液中，所述溶剂可以是有机溶剂也可以是水溶剂。即，所述预聚物溶液可以是有机相体系也可以是水相体系。
38.根据本发明的一种实施方式，考虑到nipam在水中的溶解度有限，当nipam在水中的浓度超过10％时，很难通过光聚合得到pnipam。因此，优选的，所述预聚物溶液优选使用有机相体系，溶剂可以是二甲基亚砜(dmso)、乙醇、乙二醇和乳酸乙酯(el)中的至少一种。优选的，溶剂采用乳酸乙酯(el)，因为nipam在el中的溶解度可以超过50％，并且通过超声10-20分钟即可快速溶解nipam以及其他各组分。
39.根据本发明的一种实施方式，所述预聚物溶液中，所述异丙基丙烯酰胺的质量浓度为40wt％-60wt％。
40.根据本发明的一种实施方式，所述预聚物溶液中，所述交联剂质量浓度为1wt％-3wt％。所述交联剂浓度会影响制备水凝胶的交联密度，浓度越高交联密度越大，水凝胶内部空隙越小，交联剂浓度过高导致材料较硬，所述水凝胶机器人的温敏性能会削弱，相反，浓度越低交联密度越小，水凝胶内部空隙越大，会增加水凝胶的柔性，但交联剂浓度过低使水凝胶预聚物溶液难以聚合形成水凝胶。
41.根据本发明的一种实施方式，所述光引发剂的质量浓度为1wt％-2wt％。
42.根据本发明的一种实施方式，步骤s1中，还包括加热所述水凝胶的步骤，加热温度为90-100℃。除去所述水凝胶中的溶剂，使得机器人呈干燥状态，在此状态下，将磁性颗粒滴加至水凝胶微型机器人的表面，部分较大磁性颗粒会粘附在水凝胶机器人的表面，部分细小磁性颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶机器人内部。优选的，在负载完磁性颗粒后，进行第二次加热，加热温度为90-100℃，通过第二次加热，使磁性溶液中的溶剂快速挥发，从而使得水凝胶机器人能够在后续步骤中，进行吸水膨胀操作。
43.根据本发明的一种实施方式，步骤s2中，还包括将所述水凝胶机器人进行吸水膨胀操作的步骤。使得所述水凝胶机器人吸水膨胀达到平衡、稳定的状态。
44.根据本发明的一种实施方式，一种制备所述水凝胶机器人的方法，包括以下步骤：
45.(1)将异丙基丙烯酰胺(nipam)和交联剂溶于溶剂中，超声10-50分钟至完全溶解，得到预聚物溶液。避光保存，以备后期使用；
46.(2)用胶带粘在一块玻璃片基底上形成一个深度等于所述水凝胶机器人厚度的腔
体；
47.(3)将步骤(1)的所述预聚物溶液用滴管滴加在步骤(2)的腔体内，所述预聚物溶液的量取决于腔体的大小；
48.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后盖上一块菲林掩膜板进行紫外光曝光；
49.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用有机溶剂清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶；
50.(6)将步骤(5)中的所述水凝胶放在加热板上加热去除水凝胶内的有机溶剂，使水凝胶呈干燥状态，同时将含有所述具有光热转换特性的磁性材料的溶液，用涡旋搅拌器分散后滴加至所述水凝胶的表面，所述具有光热转换特性的磁性材料会粘附在水凝胶的表面，部分细小所述具有光热转换特性的磁性材料会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶内部，通过加热使所述具有光热转换特性的磁性材料中的溶剂快速挥发，得到微型机器人；
51.(7)将步骤(6)处理的所述微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的微型机器人从玻璃基底上脱落，得到所述水凝胶机器人。
52.根据本发明的一种实施方式，所述水凝胶机器人的厚度为10-50μm，优选的，所述水凝胶机器人的厚度为10-25μm。
53.根据本发明的一种实施方式，步骤(2)中胶带的厚度等于所述水凝胶机器人的厚度。
54.根据本发明的一种实施方式，步骤(4)中的紫外光波长为360-365nm。
55.根据本发明的一种实施方式，步骤(4)中紫外曝光时间为10-25s。
56.根据本发明的一种实施方式，步骤(5)中的有机溶剂包括乙醇、丙酮、二甲基亚砜中的至少一种。
57.根据本发明的一种实施方式，步骤(6)中加热板的温度设定为90-100℃。
58.根据本发明的一种实施方式，步骤(6)中在加热板上烘烤的时间为10-20min。
59.根据本发明的一种实施方式，步骤(6)中含有所述具有光热转换特性的磁性材料的溶液的浓度为10-20mg/ml。
60.本发明的另一个方面，还涉及所述水凝胶机器人在制备靶向递送药物和制备细胞递送试剂中的应用。包括如上述第1方面实施例所述的水凝胶机器人。由于该应用采用了上述实施例的水凝胶机器人的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
61.本发明的另一个方面，还涉及所述水凝胶机器人在微创手术中的应用。包括如上述第1方面实施例所述的水凝胶机器人。由于该应用采用了上述实施例的水凝胶机器人的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
62.本发明的另一个方面，还涉及所述水凝胶机器人在疾病检测仪器中的应用。包括如上述第1方面实施例所述的水凝胶机器人。由于该应用采用了上述实施例的水凝胶机器人的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。
63.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
64.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
65.图1为实施例1的水凝胶机器人在吸水溶胀前的尺寸参数图。
66.图2为实施例1的水凝胶机器人制备示意图。
67.图3为实施例1的水凝胶机器人负载具有光热转换特性的磁性材料制备过程示意图。
68.图4为实施例1的水凝胶机器人的光学显微镜图像。
69.图5为实施例1的水凝胶机器人的分别在27℃和40℃时的光学显微镜(mz62，明美)图像。
70.图6为实施例1中水凝胶机器人分别在有无近红外光(nir)照射时的光学显微镜(mz62，明美)图像。
71.图7为实施例2的水凝胶机器人磁场测试图。
具体实施方式
72.下面详细描述本发明的实施例，上述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
73.在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
75.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
76.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
77.本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
78.实施例1
79.实施例1的水凝胶机器人，为l形微型机器人，其在吸水溶胀前的尺寸的设计尺寸参数如图1所示。实施例1的水凝胶机器人，其两臂的内边长为200μm，两臂的宽度为100μm，
厚度为25μm，两臂的夹角为120
°
。
80.一种水凝胶机器人的制备方法，如图2和图3所示，包括如下步骤：
81.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
82.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为25μm的腔体；
83.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
84.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
85.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人，该水凝胶微型机器人的光学显微镜图像如图4所示。其中，图4的(a)为实施例1中的水凝胶微型机器人未装载fe3o4纳米颗粒的光学显微镜图像；图4的(b)为实施例1中装载上磁性fe3o4纳米颗粒的水凝胶微型机器人的光学显微镜图像；
86.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
87.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
88.该水凝胶机器人的光学显微镜图像如图4所示。其中，图4的(a)为实施例1中的水凝胶机器人未装载fe3o4纳米颗粒的光学显微镜图像；图4的(b)为实施例1中装载上磁性fe3o4纳米颗粒的水凝胶机器人的光学显微镜图像。
89.实施例2
90.实施例2的水凝胶机器人，为l形微型机器人，其在吸水溶胀前的尺寸的设计尺寸参数如图1所示。实施例2的水凝胶机器人，其两臂的内边长为200μm，两臂的宽度为100μm，厚度为25μm，两臂的夹角为120
°
。
91.一种水凝胶机器人的制备方法，如图2和图3所示，包括如下步骤：
92.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.2g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.65g乳酸乙酯中，超声30分钟至溶液呈透明状态
93.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为25μm的腔体；
94.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
95.(4)在开口腔体上盖上另一块玻璃片形成一个封闭腔体，然后盖上一块菲林掩膜板，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
96.(5)揭开其中一块玻璃片，用乙醇清洗掉粘未聚合的预聚物溶液；
97.(6)将步骤(5)中的微型机器人放在95℃加热板上加热，同时滴加浓度为15mg/ml用涡旋搅拌器分散后的fe3o4溶液，使其覆盖微型机器人，加热至fe3o4溶液中的溶剂全部挥发；
98.(7)将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使
水凝胶微型机器人吸水膨胀，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落，得到水凝胶机器人。
99.与实施例1相比，实施例2中增加了交联剂pegda的浓度，从而使得水凝胶的交联密度增大，水凝胶内部空隙减小，导致水凝胶机器人的硬度进一步提高，但同时水凝胶机器人的温敏性能会削弱。
100.实施例3
101.实施例3的水凝胶机器人，为l形微型机器人，其在吸水溶胀前的尺寸的设计尺寸参数如图1所示。实施例3的水凝胶机器人，其两臂的内边长为200μm，两臂的宽度为100μm，厚度为25μm，两臂的夹角为120
°
。
102.一种水凝胶机器人的制备方法，如图2和图3所示，包括如下步骤：
103.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.2g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)，0.4g丙烯酰胺(aam)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.25g乳酸乙酯中，超声30分钟至溶液呈透明状态。
104.(8)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为25μm的腔体；
105.(2)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
106.(3)在开口腔体上盖上另一块玻璃片形成一个封闭腔体，然后盖上一块菲林掩膜板，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
107.(4)揭开其中一块玻璃片，用乙醇清洗掉粘未聚合的预聚物溶液；
108.(5)将步骤(5)中的微型机器人放在95℃加热板上加热，同时滴加浓度为20mg/ml用涡旋搅拌器分散后的fe3o4溶液，使其覆盖微型机器人，加热至fe3o4溶液中的溶剂全部挥发；
109.(6)将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落，得到水凝胶机器人。
110.与实施例2相比，实施例3中引入了5wt％的丙烯酰胺(aam)，水凝胶机器人的下临界转变温度提高了5℃左右，即该水凝胶机器人相比于实施例1和实施例2中的水凝胶机器人需要在37℃的温度下才会有明显的尺寸变化。
111.实施例4
112.实施例4的水凝胶机器人，与实施例1的区别仅在于水凝胶机器人尺寸不同，实施例4的水凝胶机器人，其两臂的内边长为100μm。
113.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
114.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
115.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为25μm的腔体；
116.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
117.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
118.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人；
119.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
120.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
121.实施例5
122.实施例5的水凝胶机器人，与实施例1的区别仅在于水凝胶机器人尺寸不同，实施例5的水凝胶机器人，其厚度为50μm。
123.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
124.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
125.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为50μm的腔体；
126.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
127.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
128.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人。
129.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
130.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
131.实施例6
132.实施例6的水凝胶机器人，与实施例1的区别仅在于水凝胶机器人尺寸不同，实施例6的水凝胶机器人，其两臂的宽度为200μm。
133.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
134.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
135.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为50μm的腔体；
136.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
137.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
138.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶
微型机器人；
139.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
140.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
141.实施例7
142.实施例7的水凝胶机器人，与实施例1的区别仅在于水凝胶机器人尺寸不同，实施例7的水凝胶机器人，其两臂的夹角为90
°
。
143.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
144.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
145.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为50μm的腔体；
146.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
147.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
148.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人；
149.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
150.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
151.实施例8
152.实施例8的水凝胶机器人，与实施例1的区别仅在于具有光热转换特性的磁性材料不同，实施例8的水凝胶机器人，其负载的具有光热转换特性的磁性材料为热敏磁性凝胶微球，其内核为四氧化三铁，壳层为热敏高分子聚(n-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)凝胶。
153.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
154.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
155.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为50μm的腔体；
156.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
157.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林
掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
158.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人。
159.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的热敏磁性凝胶微球溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，热敏磁性凝胶微球颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小热敏磁性凝胶微球颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使热敏磁性凝胶微球溶液中的溶剂快速挥发；
160.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
161.实施例9
162.实施例9与实施例1的区别仅在于：实施例1的水凝胶机器人为l形，实施例9的水凝胶机器人为方形或圆柱形。
163.一种水凝胶机器人的制备方法，包括如下步骤：
164.(1)将4g异丙基丙烯酰胺(nipam)，0.1g聚乙二醇丙烯酸酯(pegda)和0.15g的2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)加入至3.75g乳酸乙酯中，超声30分钟至完全溶解
165.(2)用胶带粘在一块24*24mm的玻璃片基底上形成一个深度为50μm的腔体；
166.(3)将步骤(1)的水凝胶预聚物溶液用滴管滴加30μl在步骤(2)的腔体内；
167.(4)在开口腔体上盖上一块盖玻片形成一个封闭腔体，然后在顶部盖上一块菲林掩膜板(深圳清溢光电股份有限公司)，在波长为365nm紫外光下曝光25s；
168.(5)移去步骤(4)中掩模板和盖玻片，用乙醇清洗残余的预聚物溶液，得到水凝胶微型机器人；
169.(6)将步骤(5)中的水凝胶微型机器人放在95℃加热板上加热去除微型机器人内的乙醇，使微型机器人呈干燥状态，然后将15mg/ml的fe3o4溶液用涡旋搅拌器分散后滴加至水凝胶微型机器人的表面，fe3o4颗粒会粘附在水凝胶微型机器人的表面，部分细小fe3o4颗粒会随水分子通过水凝胶网络孔隙渗入到水凝胶微型机器人内部，通过加热使fe3o4溶液中的溶剂快速挥发；
170.将步骤(6)处理的微型机器人放入到一个培养皿中，加入去离子水等待5min使水凝胶微型机器人吸水膨胀，在玻璃基底之间产生应力，用滴管吹打，使膨胀后的水凝胶微型机器人从玻璃基底上脱落得到水凝胶机器人。
171.实施例9的水凝胶机器人为球形机器人，在旋转磁场作用下，只能沿壁面滚动，无法脱离基底实现游动。
172.性能测试：
173.将实施例1的水凝胶机器人置于在27℃的去离子水中，再将水温从27℃逐渐升温至40℃，用光学显微镜(mz62，明美)对其进行观察，观察得到的图形如图5所示。将实施例1中的水凝胶机器人放置在27℃的去离子水中，测量其吸水膨胀后的最大体长(两臂末端连线)为634.8μm，升高温度至40℃，磁性水凝胶微型机器人的尺寸明显减小。
174.表1中列出了在27℃至40℃之间水凝胶机器人的尺度变化。
175.表1
176.温度(℃)27282930313233尺寸(μm)634.8623.3617.4616.8605.3600.7597.0温度(℃)34353637383940尺寸(μm)583.3580.0571.2569.3559.1551.3539.8
177.使用近红外光(nir)照射实施例1中水凝胶机器人，使用光学显微镜(mz62，明美)观察，得到的图形如图6所示。将水凝胶机器人放置在室温的去离子水中，用功率为1w，波长为808nm的近红外光(nir)照射到水凝胶机器人的表面，水凝胶机器人在数秒内开始收缩，当关掉近红外光时，水凝胶机器人又迅速恢复到原来尺寸。
178.对实施例2的水凝胶机器人进行磁场测试，测试结果如图7所示。图7为实施例2中水凝胶机器人在磁场控制下实现一个“w”的运动轨迹图像。在室温下用亥姆霍兹线圈系统产生一个磁场强度为10mt，频率为3hz的旋转磁场对实施例2的水凝胶机器人进行运动测试，其平均运动速度可达到734.3μm/s。
179.以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种水凝胶机器人，其特征在于：所述水凝胶机器人为微米级别的平面非手性结构；所述水凝胶机器人的内部和表面皆负载有具有光热转换特性的磁性材料。2.根据权利要求1所述的一种水凝胶机器人，其特征在于：所述水凝胶机器人为l形结构，具有两臂。3.根据权利要求2所述的一种水凝胶机器人，其特征在于：所述两臂的夹角为90
°‑
120
°
。4.根据权利要求2所述的一种水凝胶机器人，其特征在于：所述两臂的长度相同，所述两臂的长度选自20μm-200μm。5.根据权利要求2所述的一种水凝胶机器人，其特征在于：所述两臂的宽度独立选自10μm-100μm。6.一种制备如权利要求1至5任一项所述的一种水凝胶机器人的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1将预聚物溶液加入封闭腔体中，经紫外光曝光，得到水凝胶；s2混合所述水凝胶与所述具有光热转换特性的磁性材料，得到所述水凝胶机器人。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤s1中，还包括加热所述水凝胶的步骤，加热温度为90-100℃。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤s2中，还包括将所述水凝胶机器人进行吸水膨胀操作的步骤。9.如权利要求1至5任一项所述的一种水凝胶机器人在制备靶向递送药物和制备细胞递送试剂中的应用。10.如权利要求1至5任一项所述的一种水凝胶机器人在疾病检测仪器中的应用。

技术总结

本发明公开了一种水凝胶机器人及其制备方法与应用。上述水凝胶机器人为微米级别的平面非手性结构；上述水凝胶机器人的内部和表面皆负载有具有光热转换特性的磁性材料。本发明中的水凝胶机器人具有多刺激响应的特点。上述水凝胶机器人不仅可以通过磁场实现运动的远程操控，同时也可通过近红外光改变上述水凝胶机器人的尺寸大小、表面亲疏水性以及内部孔隙大小等，可以通过磁场控制上述水凝胶机器人到达靶向部位，然后利用近红外光响应可以实现药物的可控释放，用于皮下肿瘤，同时在组织工程中通过磁场控制上述水凝胶机器人搬运细胞，然后通过近红外光响应实现细胞的释放。然后通过近红外光响应实现细胞的释放。