以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office
超灵敏的纳米机械仪器，如原子力显微镜（AFM）和纳米压痕仪，可以完成精细的生物力学测量，从而揭示生命活动中复杂的生物力学机制。然而，受限于机械反馈机制和有源组件的存在，目前常用的力学检测仪器仍存在体积过大、无法进行在体测量等难题。微型化的全光纤纳米机械生物探针可以弥补现有检测仪器的不足，在细胞测量、微创检查和组织弹性成像等诸多领域发挥作用。
最近，深圳大学王义平教授团队的廖常锐教授和邹梦强博士等人《极端制造》期刊上发表了题为’3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe’的研究论文。
图1 FONP的结构示意图和纳米力学检测原理。(a) 光纤端面微悬臂梁生物探针结构示意图；(b) FONP的光学相位解调原理。
该团队开发了一种微型化的光纤纳米机械生物探针（FONP），成功应用于单细胞及小鼠活体组织的生物力学性能检测（图1）。利用飞秒激光3D打印技术和力学结构优化算法，该团队成功研制了弹性系数可调谐的微悬臂梁探针，解决了FONP与待测样品的刚度失配问题，实现了对洋葱细胞、MCF-7乳腺癌细胞和小鼠活体组织等多种异质生物材料的力学性能检测。FONP传感系统有望为生物力学研究提供一种全新的介入式检测方法，为全光纤型AFM的发展奠定了基础。
/ 论文亮点
1.飞秒激光3D打印一体化制备光纤端面微悬臂梁探针；
2.通过力学结构优化实现了刚度可调谐微悬臂梁探针的可控制备；
3.通过光学相位解调实现了纳牛顿（NN）级的超高力学检测分辨率；
4.实现了癌细胞和小鼠活体组织的生物力学性能在线检测。
/ 研究背景
随着微加工技术的发展，微操作逐渐得到了更广泛的应用。在微观世界中，如果接触力得不到可靠的检测和有效的控制，微观物体很容易损坏。尤其在细胞检测、组织成像和微创检查等领域，迫切需要精确控制和测量施加在微小物体上的微弱力。例如，在心脏导管插入术中，医生必须清楚知晓导管与血管壁之间的接触力，避免在插入过程中损伤患者的血管壁。为了满足在体生物力学检测应用的需求，迫切需要将微力传感器的尺寸缩小，检测方式优化，以实现稳定、高精度的介入式力学性质检测。
飞秒激光3D打印技术是一种纳米尺度的增材加工方法，其加工精度可优于10
nm。飞秒激光3D打印技术可用于加工任意形状的微纳结构，同时对光刻胶进行材料掺杂，可以轻松实现微纳结构的功能化。将飞秒激光3D打印技术与“光纤实验室”技术交叉融合，可以在传统光纤上一体化集成微纳功能结构，从而有效提高光纤传感器的性能。因此，光纤传感技术和飞秒激光3D打印技术相结合为开发刚度可调谐的微型纳米机械仪器开辟了新途径。
/ 最近进展
超高的力学分辨率和使用灵活性。我们使用飞秒激光3D打印技术，结合力学结构优化算法，制备出一系列的光纤端面微悬臂梁探针。在确保结构鲁棒性的基础上，力学检测分辨率达到了纳牛顿（nN）级水平，实现了2.1
nN的超高检测极限，可与商用AFM相媲美（图2）。FONP系统使用全光纤信号传输代替AFM系统复杂的光学杠杆解调，并结合深度传感压痕法，可以测量各种非均匀异质材料的力学性质，且降低了对测试样品形状规则的要求，具有较高的使用灵活性。
图2 (a)-(c) FONP的刚度特性有限元仿真结果；(d)-(e) FONP的扫描电镜图；(f) FONP的纳牛级力学传感特性；(g) FONP深度传感压痕测试仿真结果；(h) 基于商用纳米压痕仪的结果验证；(i) FONP的压力灵敏度响应。
实现了FONP和待测样品之间的刚度匹配。我们提出了一种实现微型FONP刚度可调的策略。该策略利用结构力学与拓扑学理论，结合有限元仿真，设计出具有与样品刚度匹配的FONP，再通过飞秒激光3D打印技术在光纤端面一体成型制备出特定刚度的FONP。目前，我们研制了刚度系数范围在0.4至52.6
N/m之间的FONPs（图3），并成功应用于不同种类生物材料的测量。
图3 (a) 三种不同设计FONPs的扫描电镜图；(b) 三种不同设计FONPs的刚度系数测量结果。
提出了全光纤型AFM的新概念。我们通过制备的一系列FONPs成功地测量了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、洋葱细胞、MCF-7乳腺癌细胞、活体小鼠组织等非均质材料的杨氏模量，并用商用纳米压痕仪的测试结果进行验证（图4）。新型FONP系统不仅测试结果准确可靠，而且使用光学相位解调，简化了商用AFM复杂的光学杠杆解调系统，为实现便携式全光纤AFM开辟了新的思路和途径。
图4 (a)-(c) 基于FONP-2对洋葱细胞力学性质的测试结果；(d)-(f) 基于FONP-3对MCF-7乳腺癌细胞力学性质的测试结果；(g)-(i) 基于FONP-1对活体小鼠脑部肌肉组织力学性质的在线测试结果。
/ 未来展望
本研究所提出的全光纤纳米机械生物探针具有灵敏度高、检测极限低、无特殊封装要求、生物相容性好和全光操作等优点，在材料力学和生物力学研究方面，具有广阔的应用前景。此外，这种方法为实现通用型全光纤AFM开辟了新的途径。在未来，我们期望这种新型的光纤纳米机械生物探针系统能够广泛应用于人体不同组织的在线生物力学性质检测，如体内心肌细胞跳动监测、组织弹性成像、肿瘤组织介入活检等，成为生物力学相关领域研究的重要新方法。
原始文献：Zou M Q, Liao C R, Chen Y P, Cai Z H, Li B Z, Zhao C, Liu S, Wang Y, Wang Y P et al. 2023. 3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015005.
论文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb741
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具有出色变形能力和导电性的可拉伸导体是电子皮肤、软机器人和电磁干扰（EMI）屏蔽材料等应用的迫切需求。为了满足这些应用的要求，在复杂变形条件下依然具有稳定的导电性和坚固的结构非常有必要，因此在适当的弹性体基质的支持下构建稳定的导电网络对于令人满意的可拉伸导体至关重要。为了实现这一目标，具有优异电性能和大纵横比的导电材料，包括碳纳米管、石墨烯和MXene，通常被选为构建高质量导电网络的候选者。尽管近年来已经取得了重大进展，但这些含有固体填料的导体的电性能不可避免地受到外部变形的困扰从而极大的阻碍了它们的潜在应用。
鉴于此，江南大学机械工程学院刘禹教授课题组通过一种简便且精确控制的一步式双材料3D打印技术，将液态金属（LM）合理地组装成弹性体晶格结构，以构建高导电、可变形和稳定的导电网络。3D互连且可变形的液体导电网络由高度有序且坚固的聚二甲基硅氧烷（PDMS）晶格骨架支撑，使所得的LM/PDMS晶格复合材料具有超过180%的优异拉伸性，高达1.98×106 S
m-1电导率以及出色EMI屏蔽效率（72dB）。此外，该复合材料在100%的大拉伸应变下仅显示-2%的负电阻变化，还在0-100%的应变范围内表现出应变不变的EMI屏蔽性能，并在1000次严格的拉伸和释放循环中表现出卓越的稳定性。基于这些优异性能，作者展示了复合材料在柔性显示电路、微波屏蔽层和无线电力传输系统中的有效的EMI屏蔽作用。这项研究开发的制造技术为在聚合物基复合材料中充分利用LM的多功能特性提供了一种可能的策略。相关工作以“Rational
Assembly of Liquid Metal/Elastomer Lattice Conductors for High-Performance and Strain-Invariant Stretchable Electronics”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
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LM/PDMS晶格复合材料的制备
作者开发了一种双材料3D打印技术，以合理地在PDMS晶格内组装LM液滴。首先准备了包括底层、主晶格结构和侧壁在内的高拉伸性和坚固的PDMS骨架作为基体。随后，将LM（共晶镓铟合金（EGaIn））液滴印刷在PDMS晶格内，并控制印刷速度和挤出率，以确保复合材料中LM的精确重量含量和均匀分布。在顶部用薄的PDMS层密封后，复合材料在烘箱中固化，制成最终的LM/PDMS晶格复合材料（图1）。PDMS晶格提供了一个简单的四方结构，具有精确控制的细丝直径和两个相邻细丝之间的距离。这种工程化的开孔结构提供了中尺度单位单元，可捕获内部的LM液滴并形成3D互连导电网络。通过调整3D打印机的控制程序，成功制作了出五边形、正方形、三角形等各种形状。
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图1 LM/PDMS晶格复合材料的制备和性能表征
LM/PDMS晶格复合材料的导电性、拉伸性和耐用性
LM/PDMS晶格复合材料的电导率研究表明，随着LM含量不断增加，在LM含量为50 wt%时，实现了1.98×106 S m-1的高电导率。单轴拉伸性能表明，LM含量范围为5至50
wt%的复合材料具有相似的应力-应变曲线，具有超过180%的大拉伸性（图2）。LM/PDMS晶格复合材料还具有出色的电稳定性。随着拉伸应变的增加，复合材料表现出负电阻变化。在100%的大应变获得了-2%的小电阻变化。复合材料在100%拉伸应变下重复拉伸和释放1000次循环期间电阻变化幅度只有很小的波动并且初始和最终循环的电导率和电阻变化值几乎相同，证明复合材料具有令人满意的耐久性。LM/PDMS晶格复合材料的稳定导电网络通过其在LED电路中的性能得到进一步证实（图3）。在大拉伸应变、弯曲和扭曲下观察到复合材料的恒定LED亮度。
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图2复合材料的导电性、拉伸性和耐用性
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图3 LED电路中LM/PDMS晶格复合材料的照片
LM/PDMS晶格复合材料有效EMI屏蔽应用
LM/PDMS晶格复合材料的优异性能有望用于有效的EMI屏蔽应用。厚度为3mm 的LM/PDMS晶格复合材料在8.2-12.4 GHz频率范围内作为LM含量的函数表明，在50 wt%的LM含量下屏蔽效率达到72
dB。作者将两个含有等量去离子水的支架放入微波炉中，分别带有和不带有LM/PDMS晶格屏蔽层。在微波加热20秒后，不带有复合材料的去离子水的温度从室温飙升至70
°C以上，而有复合材料屏蔽的去离子水在微波处理过程中保持稳定的温度（30°C）。此外，作者进一步展示了LM/PDMS晶格复合材料在无线电力传输系统中作为EMI屏蔽的概念验证应用。与LM/PDMS晶格尺寸相同的PDMS晶格作为对比。在智能手机和充电器之间添加PDMS晶格对充电性能没有任何影响，而LM/PDMS晶格可以有效地阻止无线电力传输过程。
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图4 LM/PDMS晶格复合材料的EMI屏蔽应用
小结：作者提出了一种通过双材料3D打印的LM基复合材料的合理组装技术。高度可拉伸的PDMS晶格用作支撑结构，允许LM在内部形成3D有序和互连的导电网络，这使复合材料展现出高导电性、可拉伸性和电磁干扰屏蔽效率。复合材料还具有应变不变的导电性和EMI屏蔽性能，并在100%的大拉伸应变下提供超过1000次拉伸-释放循环的极其稳定的性能。复合材料在柔性显示电路、微波屏蔽层和无线电力传输系统中应用证明了其高效的EMI屏蔽作用。这项工作为充分利用LM的多功能特性提供了一种有效的方法。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108336
来源：高分子科学前沿
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