武汉理工大学官建国教授团队：可“悬停”的双刺激响应镁基微米马达

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武汉理工大学官建国教授团队最近设计并报道了一种可对环境温度和双氧水浓度响应的镁基马达。它能对周围环境的温度和双氧水浓度产生智能响应，并大大延长运动寿命。另一方面，该工作也为自驱动微纳马达提供了一种环境刺激的可控“悬停”策略。相关成果以“Mg-Based Micromotors with Motion Responsive to Dual Stimuli”为题发表在Research上 (Research, 2020, 6213981, DOI: 10.34133/2020/6213981)。

国内外诸多科幻电影中经常描绘这样一种场景：将缩小的“外科医生”注射进入人体来执行各种复杂的疾病诊疗任务。随着纳米科技的进步，微纳米马达领域的快速发展已经为这一存在于科幻电影中的场景的实现带来了可能性。微纳米马达是指能够将环境中的化学能或其它形式的能量（光、电、磁和声等）转化为自身动能的微纳米器件。由于其具有小尺寸和运动特性，在药物靶向运输、微创手术和环境修复等领域具有广阔的应用前景。

影片《惊异大奇航》海报

镁基微米马达是以金属镁微球与液体环境的化学反应为驱动力主要来源的一种自驱动微纳米马达。它可以通过镁水反应产生强大的推进能力，并能提供有利于人体新陈代谢过程及正常生命活动的镁离子。此外，在推进过程中产生的氢分子还可进一步用于消除对机体有害的过量羟基自由基。目前镁基微米马达已经应用于治疗幽门螺杆菌感染、缺铁性贫血以及肿瘤药物递送等动物模拟实验。但现有的镁基微米马达为单一的自消耗驱动方式，导致其运动可控性较低和运动寿命有限，限制了其完成复杂任务的能力。因此，如何发展其运动行为控制方法、延长运动寿命，并赋予智能特性对镁基微纳米马达的进一步发展和拓宽应用领域至关重要。

武汉理工大学官建国教授研究团队通过在镁微球表面上依次不对称溅射催化剂Pt层和包覆温敏性聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝胶层研制了一种双刺激响应可“悬停”的镁基微米马达。该镁基微米马达在有催化底物如H₂O₂存在时，自驱动机理会从自消耗的镁水反应产氢驱动转变为Pt催化分解H₂O₂产氧驱动，并且运动行为能对H₂O₂浓度和液体运动介质温度做出响应，即介质温度降低到PNIPAM临界相转变温度（LCST，32℃）以下或增大H₂O₂浓度均能提升H₂O₂对PNIPAM水凝胶层的穿透能力，进而在双面神微米马达的双侧产生气泡，表现出独特的类似“悬停”的自限运动行为（图1）。

图1  镁基微米马达对温度和H₂O₂浓度双重响应示意图

实验探究表明当水中不含H₂O₂时，镁基微米马达通过镁水反应单侧产生氢气泡反冲推动自己；当温度高于PNIPAM的LCST且存在H₂O₂时，马达通过内层Pt催化H₂O₂分解产生氧气泡反冲驱动，此时马达速度显著增大。当环境温度低于PNIPAM的LCST时，凝胶层由疏水转变为亲水，H₂O₂水溶液进入凝胶层，镁基马达中Pt层的双侧均能催化分解H₂O₂产生气泡，展现出“悬停”的自限运动行为。分析马达运动的角速度发现该自限运动行为是由于双侧产生气泡明显提升角速度所致（图2）。

图2  镁基微米马达对温度和H₂O₂的运动响应性

该镁基微米马达的运动行为还可以通过调控体系中H₂O₂的浓度进行控制。当环境温度高于PNIPAM的LCST时，马达表面的水凝胶层表现为疏水性，此时镁基马达的运动速度随着环境中H₂O₂浓度的增加而增加；当继续加大环境中的H₂O₂浓度时，也会有足够多的H₂O₂透过水凝胶层导致Pt层双侧均能发生催化分解H₂O₂产生气泡，表现出自限运动行为。这种运动调控行为对H₂O₂浓度变化具有可逆性（图3）。

图3  镁基微米马达对不同浓度H₂O₂的运动响应性

作者最后通过数值模拟不同运动环境中镁基微米马达周围的O₂浓度分布情况进一步阐明了马达对温度和H₂O₂浓度的运动响应性的物理根源（图4）。当环境温度为22℃（低于PNIPAM的LCST）、H₂O₂浓度为0.1 wt%时，马达双侧的O₂浓度均超过了其临界成核浓度，此时马达两侧均会产生气泡。升高温度至38℃ 时，只有马达内部O₂浓度超过了其临界过饱和浓度。这表明此时只有马达内部产生气泡。提高H₂O₂浓度至0.8 wt%，马达包覆Pt层内外的O₂浓度均超过临界成核浓度，双侧形成气泡。这三种情况均与实验结果相一致，说明了作者推理是合理可靠的（图4）。

图4 镁基微米马达对不同环境温度和H₂O₂浓度的响应性的数值模拟结果

作者利用水凝胶的温敏响应性实现了镁基微米马达自适应驱动机理的转变以及对环境温度和H₂O₂浓度双重响应性，实现了对镁基微米马达运动行为的控制与智能响应特性、延长了运动寿命；同时该工作也提供了一种自驱动微纳马达的环境刺激可控的“悬停”策略。

原文链接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/6213981/

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