一种磁驱动微型夹具，采用功能分区多材料设计用于细胞操作

《Precision Engineering》：A magnetically actuated microgripper with functionally partitioned multi-material design for cell manipulation

磁流变微夹爪通过多材料功能分区设计，在模板辅助组装工艺下实现精密磁控变形、刚性力传递和生物相容性接触，位移分辨率达1.5μm，成功完成胚胎细胞100%存活率的无损操作。

　　

孙启强|尹明珠|王书欣|李金华|潘丽芝

天津大学机械工程系，中国天津市津南区雅观路135号，300350

摘要

在生物医学应用中，由单一材料制成的微夹具通常需要在精度与对生物样本的温和交互之间做出妥协。为了解决这一挑战，本文提出了一种磁驱动微夹具，该夹具采用了功能分区的多材料设计，并通过模板辅助组装策略制造而成。该微夹具包括一个由磁流变弹性体制成的M形驱动单元、一个使用光敏树脂通过增材制造工艺生产的传动单元，以及一个覆盖有Ecoflex涂层的交互单元。这种功能分区的多材料设计实现了可控的磁驱动、精确的力和运动传递，以及与生物样本的柔顺接触。为了表征和优化驱动性能，我们采用了梁约束模型对驱动单元的变形进行分析，并通过有限元分析对其尺寸参数进行了优化。微夹具上的微型线圈实现了磁驱动，无需外部磁源即可有效驱动。模板辅助组装确保了各功能单元的精确对齐和可靠集成。性能测试表明，该微夹具的抓取行程超过2000微米，位移分辨率约为1.5微米，并且能够连续运行300次以上循环而不会对细胞活力或发育产生明显不良影响。斑马鱼胚胎细胞操作实验的成功率为100%，未观察到对细胞活力的负面影响。这些结果证明了该微夹具在生物操作中的适用性，其在细胞处理、发育生物学和微创生物医学程序中具有广阔的应用前景。

引言

近年来，细胞操作已成为生物医学研究中的核心技术，它是基础生物学研究与精准医学之间的关键桥梁[1]。通过促进诊断技术[2]、靶向递送系统[3]、[4]以及可控的细胞培养和组装[5]，这项技术推动了组织工程、再生医学和先进治疗的发展。在这个快速发展的领域中，微夹具已成为不可或缺的工具，代表了超越传统操作技术的变革性步骤[6]、[7]，在微观尺度上提供了更高的精度、适应性和功能集成[8]、[9]、[10]。然而，现有的微夹具在应用于生物环境时仍存在关键限制。

大多数微夹具依赖于由单一材料制成的整体结构，通常通过MEMS工艺[11]、[12]或增材制造[13]、[14]制造。尽管这些方法提供了良好的机械稳定性和紧凑的集成性，但其均匀的材料组成在生物医学应用中带来了难题。刚性材料虽然能够实现精确的操作，但缺乏温和处理样本所需的灵活性[15]、[16]。相比之下，软材料虽然可以与生物样本进行温和交互，但会降低精确操作所需的位置精度[17]。这种根本的权衡限制了单一材料微夹具在生物医学应用中的性能，因为这些应用同时需要高精度和温和的交互。

多材料组装作为一种有前景的策略，可以解决这一挑战。通过整合具有不同机械和材料特性的功能模块，这种方法可以提高设备的整体功能和适应性，并克服单一材料配置的固有限制。多材料组装在微尺度工程和软机器人技术中得到了广泛应用，通过在统一系统中嵌入多种材料特性来优化性能。张等人[18]使用多材料异质组装开发了体素化的3D微型磁性软机器，实现了可编程的形状变形、负泊松比、复杂的刚度分布和定向关节弯曲等功能。勒格朗等人[19]使用可逆的Diels–Alder聚合物制造了可重构的多材料软机器人，这些聚合物在材料界面提供了强大的连接，使得可以创建具有定制机械特性的功能性机器人。这些研究突显了利用材料异质性来实现微尺度机械系统先进功能的日益增长的兴趣。然而，在微夹具的实现中，如何有效集成异质材料同时确保整体精度、机械可靠性和制造可行性仍是一个未解决的挑战。

除了材料组成的挑战外，驱动方法也是限制微夹具在生物医学应用中更广泛采用的关键技术障碍。现有的方法包括电热、光热、静电、压电、气动和磁驱动。尽管这些方法在特定环境中表现出有效性，但它们在应用于复杂的生物医学环境时仍面临潜在挑战。电热驱动和光热驱动提供了简单的控制系统，可以实现较大的位移并提供较大的抓取力[20]、[21]，但它们依赖于热量产生，可能导致局部温度升高，从而对生物样本产生不利影响[22]。静电驱动可以实现快速响应和高精度，但通常需要较高的驱动电压，这限制了其在潮湿或导电生物环境中的适用性[23]。压电驱动和气动驱动可以提供强大的输出力，但两者都面临微型化挑战，阻碍了它们在微尺度生物医学系统中的集成[24]、[25]。磁驱动可以实现无接触控制，并具有优异的生物相容性，因此在生物医学微操作中具有前景。然而，当前的磁微夹具通常依赖于刚性结构和外部附加的磁性组件进行驱动，这限制了其灵活性并需要复杂的微组装[26]、[27]。

针对这一限制，磁流变弹性体（MRE）材料提供了一个有吸引力的替代方案，因为它们既可以作为驱动器，也可以作为微夹具的柔软框架[28]。这种将驱动和结构柔顺性集成在单一材料中的方法消除了对额外磁性组件的需求，简化了制造过程。基于这些优势，一些微夹具已经开发出来，实现了可编程的无接触驱动和集成的结构灵活性[29]、[30]。尽管这些方法有效，但它们仍然依赖于笨重的外部电磁线圈来产生磁场，从而限制了微操作系统的整体紧凑性和集成性。

通过结合多材料组装和MRE材料的优势，本研究提出了一种磁驱动微夹具，该微夹具在结构上将驱动、传动和交互功能分离，以提高整体性能。所提出的设计通过将微夹具划分为三个功能单元来解决操作精度与温和交互之间的权衡：基于MRE的驱动单元对磁场作出响应并实现可控变形；传动单元提供刚性支撑并传递力和运动；交互单元确保与生物样本的柔软、生物相容的接触。每个单元都使用特定材料进行制造，以满足其结构和功能要求。模板辅助组装确保了所有功能单元的精确对齐和可靠集成，保证了微夹具的结构完整性和性能一致性。设计方法、制造过程和实验验证将在后续部分详细说明。

部分摘录

微夹具的概念设计

微夹具可以被视为一个由多个功能区域组成的集成系统，这些区域协同工作以实现精确的操作。通过将系统分解为针对特定功能设计的专用模块，可以实现性能优化。这一设计受到人类手指解剖结构的启发，人类手指通过不同组织类型的协调动作实现精确而温和的抓取。

制造与集成

本节详细介绍了微夹具每个功能单元的制造和集成方法，如图8所示。采用模板辅助组装来确保功能单元的精确对齐和微夹具的性能一致性。这种方法便于不同组件的集成，并适应各种制造工艺，同时保持微操作所需的精度。

驱动单元由MRE制成，这是一种复合材料

实验与结果

建立了一个实验平台，用于评估所制造微夹具在实际操作场景中的性能和可行性，如图11所示。微夹具安装在一个四自由度微操作器（Siskiyou，MX7600，精度2微米）上，用于精确定位；一个XY运动平台（Prior，H117，分辨率0.1微米）确保了被操作物体的准确移动和对齐。为了实现实时监测和数据采集

讨论

表2详细比较了所提出的微夹具与以往文献中的代表性设计。与整体或单一材料的微夹具不同，我们的微夹具采用了组装而成的、功能分区的结构，并对每个单元进行了特定材料的制造，从而在驱动效率、结构刚度和温和交互之间取得了平衡。在由集成微型线圈产生的磁场作用下，该微夹具实现了紧凑的设计

结论

本研究提出了一种磁驱动微夹具，该微夹具采用了功能分区的多材料设计，用于细胞操作，通过模板辅助组装制造而成。该微夹具集成了基于MRE的M形驱动单元、一个刚性的3D打印传动单元，以及一个覆盖有Ecoflex涂层的柔软交互单元。这一设计通过有效集成各种组件，有效解决了操作精度与温和交互之间的权衡

CRediT作者贡献声明

孙启强：撰写——原始草稿、方法论、研究。尹明珠：验证、资源准备。王书欣：监督、方法论。李金华：撰写——审稿与编辑、监督。潘丽芝：撰写——审稿与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。