一、引言  

本文回顾了基于光技术的3D打印水凝胶在微流控设备中的最新进展，着重关注了研究人员在过去十年于基于光的3D打印技术、智能响应材料和功能化微流控设备方面所付出的努力及取得的成就。

二、基于光技术的3D打印水凝胶在微流控设备中的进展综述  

1.总体情况  

智能响应材料涵盖化学、温度、光、磁、电和机械触发模式，能使微流控设备运行并对环境变化（如变形和运动）作出响应。这些具备增强的可调性和环境适应性的智能设备达到了预期，已在微/纳米尺度操作、靶向药物输送和细胞运输、环境传感、可调光学以及活性支架等诸多领域广泛应用。本文还探讨了研究界当前面临的主要挑战以及未来的研究方向，以进一步推动这些微流控设备在现实世界中的应用。  

2.激光烧结3D打印技术  

与挤出和喷墨3D打印技术相比，基于光聚合的3D打印技术在精度和复杂结构建模能力方面更具优势。截至目前，基于光聚合的3D打印方法主要包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、连续液体界面生产（CLIP）、双光子聚合（TPP）和体积增材制造（VAM）。部分挤出3D打印的研究基于光聚合处理，但挤出光聚合3D打印的精度受喷嘴尺寸和材料流变性能限制，难以与上述几种基于光的打印技术相媲美。此外，已有众多综述对挤出光聚合3D打印进行了总结，所以本综述聚焦于SLA、DLP、CLIP、TPP和VAM技术。  

SLA是1984年开发的首个基于光聚合的3D打印技术，被认为是市场上最精确的3D打印工艺之一。通常情况下，SLA以激光作为光源，激光束扫描可水平移动的树脂，使材料逐层固化（图2a）。SLA打印过程需耗费时间测量和控制树脂液位并刮平，致使整体打印速度较低。为提升3D打印速度，基于数字微镜器件（DMD）作为主要光束调节器的DLP技术应运而生；该技术利用掩模每次投影并固化一层光敏树脂，通过层层累积获取3D结构（图2b）。DMD具有高开关速度和分辨率，可确保高加工精度和加工速度。DLP技术已展现出改进的性能和应用前景，在组织工程、生物医学、超材料、微光学器件和微机电系统等领域得到了应用。  

3.各类响应水凝胶  

化学响应水凝胶  

化学响应水凝胶通常通过在网络中引入离子基团来响应溶剂、离子浓度和pH值。当水凝胶同时含有亲水和疏水基团时，置于液体中的亲水部分会吸收水分子并呈膨胀状态，进而导致水凝胶形状改变。Zhao等人报道了一种通过多层数字光处理（DLP）打印技术制备的亲水疏水复合水凝胶，其结构能实现形状变化，如波浪环、螺旋带和弯曲的叶子（图3a）。此外，离子响应是广泛应用的刺激响应模式，高度依赖于水凝胶对液体离子浓度的敏感性。基于PSPMA的水凝胶结构可随离子强度变化呈现可逆的形状变化特征，水凝胶结构能随离子浓度变化在两种形状间可逆切换（图3b）。而且，pH响应水凝胶是最常见的化学响应水凝胶类型之一，其聚合物主链上带有离子（阴离子或阳离子）基团。在合适pH值的水介质中，离子基团电离产生电荷，使水凝胶膨胀或收缩。重要的是，pH值的微小变化能引起聚合物网络晶格尺寸的显著改变。  

温敏水凝胶（图4：使用温敏水凝胶通过光打印的微观结构，此处可根据具体内容进一步阐述温敏水凝胶的特性、制备及应用等方面，若原文无更多相关信息，可简单提及其在微流控设备中的作用等）  

光响应水凝胶  

光响应水凝胶也是构建微型设备的常用材料。这些设备的光响应机制主要由光致异构化/电离和纳米粒子的光热转换组成。偶氮苯是常见的光致异构化单元之一，在紫外光到近红外光刺激下可在反式/顺式结构间切换。基于光热效应的光响应水凝胶需在其网络中添加金纳米棒、石墨烯和碳纳米管等各种光子吸收材料。光热效应是指光热材料在光照射下从基态快速跃迁到激发态，随后返回基态，能量以热的形式耗散。基于光的3D打印技术已开发出微观到厘米级的微型光响应设备。使用SLA技术，超快光响应形状记忆水凝胶用于构建微观结构（图5a），结构的变形程度和角度可通过不同打印灰度级别控制。此外，将金纳米棒掺入水凝胶中，展示出光驱动的微凝胶转子。含有氧化石墨烯的双层水凝胶对近红外光也快速响应，光热模式使水凝胶双层快速加热并扭曲（图5b）。特别地，TPP还可用于构建微观尺度的3D光响应结构，与较大结构（毫米到厘米）相比，微观结构将其光热响应时间缩短至不到1秒。Deng等人使用飞秒激光直写在各种复杂3D结构内部均匀掺杂单壁碳纳米管（SWCNTs），在近红外（70mW）照射下可在300毫秒内变形。作为演示，构建了微型3D人造心脏，并通过光刺激验证了起搏过程（图5c）。  

磁响应水凝胶  

磁刺激是一种无线、精确且无害的方法，在微型设备中具有竞争力。因此，已为医疗机器人、柔性电子和生物传感器等领域开发了各种磁响应设备。当向水凝胶网络中添加磁性颗粒时，磁场不仅触发形状变化，还赋予设备强大的移动性。可通过填充Fe3O4纳米颗粒、Ni纳米颗粒和NdFeB颗粒等各种磁响应颗粒获得磁响应水凝胶。Xia等人通过填充NdFeB微粒（5μm）开发了毫米级的磁响应软机器人LarvaBot（图6a），LarvaBot为理解蚊子幼虫的敏捷运动提供了平台，并为其他无束缚游泳机器人的驱动、步态选择和路径规划提供信息。可编程磁化使微型设备具有从二维到三维的复杂响应变形自由度。Diller的研究小组提出衍生数字光处理（DLP）打印技术，以逐层编程硬磁材料的取向，制造具有不同磁化的设备。打印的之字形弹簧和蜈蚣可用作可调节的光学框架和柔软的爬行机器人（图6b）。此外，主要由TPP技术构建的微观尺度磁响应设备也备受研究关注。Dong等人使用TPP在水凝胶中构建3D微型游泳者，用于神经细胞的靶向递送和分化，这些微型游泳者在细胞递送后表现出高生物相容性和生物降解性（图6c）。值得注意的是，类似的磁响应微型机器人已被制造用于细胞毒性测试。除单个磁响应微型设备外，TPP技术还可用于构建由多个磁响应微型设备组成的微型致动器网络。图6d显示了一个由磁…组成的微型致动器网络。  

电响应水凝胶  

电场是广泛使用的刺激，能触发水凝胶的形状变形。其机制是这些水凝胶中的聚合物链带有大量离子基团，当在水凝胶两侧施加电压时，带电离子和反离子在电泳作用下向相反方向迁移，导致水凝胶内部形成离子浓度梯度，进而产生不同的水凝胶渗透压。渗透压差异使水凝胶膨胀程度不同，最终导致其弯曲和变形。通过DLP技术制造的类人微型机器人可实现双向运动，也使静电驱动的行走运动成为可能（如图7a所示）。除离子迁移外，生物水凝胶的电致收缩也被视作一种刺激模式。由于骨骼肌能响应电刺激收缩提供动力，构建以骨骼肌细胞为生物机器人的水凝胶是靶向药物输送、生物传感器和药物筛选平台的候选者。如图7b所示，研究人员已使用SLA3D打印优化了电响应水凝胶生物机械的几何设计和材料性能。电场触发生物机器人骨骼肌细胞的肌肉带收缩，产生约156μm/s的净位移。  

4.光打印微型设备的功能  

基于光的3D打印技术使构建高精度和任意形状的三维刺激响应设备成为可能。在打印方法开发和智能材料研究方面的持续努力，让基于刺激响应水凝胶的微型设备在科学和工程中得以应用。本文重点关注用于货物操作、靶向药物输送、细胞运输、活性支架、环境传感和可调光学的刺激响应微型设备。  

刺激响应水凝胶打印的微致动器可操作各种尺度的货物（从微米到厘米），不仅能操纵刚性材料，还能抓取和转移细胞和精子等柔软的生物材料。3D打印的温度响应抓取手能在受控的液体温度下捕获和运输空笼子（图8a），当液体温度低于低临界溶解温度（LCST）时，抓取手在7秒内关闭并握住约10毫米的货物。除可在外部磁场中捕获和运输货物的系留抓取器（图8b）外，磁响应水凝胶还可用于制造无线抓取器，因其磁场控制灵活，磁性抓取器可抓取货物并跨越障碍物。特别是微型货物操作对微型设备而言是个挑战，由TPP技术开发的刺激响应微致动器可对微型货物（包括颗粒和细胞）进行受控的拾取和转移。Zhang的团队开发了一种pH响应水凝胶微致动器，能抓取直径高达10微米的颗粒，显微镜和扫描电子显微镜图像显示了微致动器的抓取过程（图8c）。此外，Wu的团队提出动态贝塞尔TPP处理方法制造pH响应水凝胶微抓取器，这些抓取器可原位捕获神经干细胞（NSCs）（图8d）。另外，Ma等人提出基于芯片的TPP技术，用于在芯片上连续制造两种光敏材料，通过微流控芯片完成。一个合成…（此处可根据后续内容进一步完善关于该合成的相关描述或说明其意义等，若原文无更多信息，可暂留悬念或简单提及其在该领域的潜在价值等）  

三、结论  

本文对基于光技术的3D打印水凝胶在微流控设备中的多方面进展进行了详细阐述，包括不同类型的响应水凝胶及其特性、相关打印技术以及光打印微型设备的功能和应用等。同时也指出了当前研究面临的挑战，并为未来研究方向提供了一定的思考，这对于推动该领域的进一步发展具有重要意义，有望在未来实现更广泛和更高效的应用，为众多领域带来新的突破和发展机遇。（此处结论部分可根据原文整体意图及后续可能的研究方向等进行更深入的拓展和总结，若原文无明确指向，可先给出一个较为宽泛的结论框架，以待进一步完善）