福州大学魏发南副教授ChemNanoMat：微纳米机器人的自组装：从组装机制到应用

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微纳米机器人自身尺寸微小，和宏观尺度上的机器人相比，具有在微纳米尺度进行作业的巨大潜能。但是如何在微纳米尺度大规模合成微纳米机器人一直是个巨大的难题，因此引起了学术界的广泛关注。研究者们发现，在溶液中，活性胶体粒子可以自组装成有序的多维结构，这一发现为解决微纳米机器人的制造难题提供了解题方案。

近日，福州大学魏发南副教授等人总结了近二十年来各种面向微纳米机器人的自组装技术的发展；并根据组装的机理，将各种自组装方法分为化学机制、物理机制和生物机制三大类进行比较，最后对微纳米机器人制造领域的未来发展做出了展望。

和生物杂交型微纳米机器人相比，通过自组装合成的微纳米机器人具有两个独特优势。首先，由于这些自组装方法通常是可逆的，所以合成的微纳米机器人可以在特定的条件下分解，这就大大提高了微纳米机器人穿越障碍的能力。其次，合成的微纳米机器人可以随着外部场的变化改变结构形状，这就增强了其对微小目标物体的捕获和释放能力。

化学机制是利用粒子之间相互作用力来驱动胶体粒子自发形成微纳米机器人结构。虽然这种机制可以组装不具有磁性或介电特性的粒子，但是因为粒子之间的相互作用力太弱，无法克服布朗运动，导致合成3D结构困难。即使形状互补的粒子可以利用耗尽力自组装成少量的三维结构，但是这些结构容易受到粒子浓度和运动空间影响而难以维持结构的稳定性。虽然物理机制可以在长距离下控制胶体粒子实现自组装,组装的结构也很容易从1D上升到3D,但是磁力和电场力作用的粒子需要具有磁性或介电特性,并且该装配过程受磁场或电场环境大小限制。在生物机制中，由于碱基序列的多样性和互补配对原则的选择性，粒子之间通过“柔性键”的形式连接在一起，并且DNA分子能够螺旋折叠，这就大大丰富了可组装的3D结构类型。但是该机制中，想要制得合适的DNA单链，复杂且昂贵，而且DNA链在高温条件下容易解旋断裂，这就容易导致最初组装的结构分解。

综上所述，物理机制自组装的微纳米机器人具有良好的结构可逆性；而生物机制自组装的微纳米机器人具有优异的生物兼容性。尽管许多研究人员已经提出了很多种合成微纳米机器人结构的方法，但是所有的组装策略都具有一定的适用性，自组装体系尚未完全成熟。所以，在微观尺度上大批量合成稳定可靠的微纳米机器人仍然有很长一段路要走。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cnma.202000608

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