【期刊】Research微纳米机器人专题出版 | 编委李隆球、Joseph Wang、Martin Pumera共同组织
Special Issue
微纳米机器人
2020年第3期，Research编委李隆球、Joseph Wang、Martin Pumera组织出版了“微纳米机器人”专题，该专题探讨了微纳米机器人领域的发展方向以及当下的具体应用。识别每篇摘要下面的二维码，直接阅读原文。
01
气泡多档位瞬态驱动微米马达
通信作者：
Joseph Wang josephwang@ucsd.edu；
Amir Nourhani nourhani@uakron.edu
瞬态化学驱动有望成为一种具有生物兼容性的驱动方式。本文研究了瞬态化学驱动微米马达的动力学行为和气泡推进机理。对微米马达的活性材料和几何结构在整个生命周期中（从初始激活到最终非活性状态）的变化进行观测，发现随机产生的气泡的生长和喷射机理的不同导致了微米马达的速度随时间的变化。本研究研究了气泡生长和喷射的三个过程，类似于宏观的多挡位机械，文中将这每个过程称为一个挡位。挡位1指的是在微米马达表面上生长的未脱离的气泡，在挡位2中气泡离开微米马达。挡位3本质上与挡位2类似，但气泡太小，无法推动微米马达进行运动。文中研究了这些过程在不同气泡大小和喷射时间方面的特性以及它们是如何实现微米马达运动的。同时，研究了微米马达通过调整马达外壳的极性来调整气泡的生长和喷射以及马达周围流体的流动的能力。对瞬态化学驱动微米马达的复杂多挡位气泡推进原理的研究对其未来的设计有着指导意义，并有助于精确调节这些微米马达的性能。
02
双面胶体粒子的微观可逆性及热力学研究
通信作者：
Pierre Gaspard gaspard@ulb.ac.be
活性物质是生物和物理系统中普遍存在的一种物质状态，它由许多在流体或更复杂环境中相互作用和运动的活性物质组成。从本质上讲，活性物质系统是以非平衡态存在的。本研究中，活性物质是一些小的Janus胶体颗粒，它们利用表面的化学反应提供的化学能通过扩散泳机制进行驱动。由于这些胶体之间的相互作用，无论是直接作用还是通过流体速度场和浓度场，它们可能共同作用形成诸如动态集群。本研究提出了用于描述此类系统的一般性的非平衡热力学框架，研究了由于外部浓度梯度而引起的与微可逆性一致的自扩散泳和扩散泳。它预测了扩散泳对整个胶体集群反应速率的倒数效应，还验证了导致非平衡非均匀系统状态的集群不稳定性的存在。
03
磁控显微操作在小鼠下颌弓刚度非均匀性和
各向异性测量领域的应用
通信作者：
Sevan Hopyan sevan.hopyan@sickkids.ca;
Yu Sun sun@mie.utoronto.ca
组织的机械特性对于形态和疾病的产生至关重要。最近的一些方法已经使得测量胚胎和其病理模型系统之间的粘弹性特性的空间分布成为可能，并促使了一系列重要假设的产生，例如趋硬性和组织尺度相变。胚胎生物力学可能仍有许多人们尚未发现的未曾预料到的方面，这将改变人们控制发育和疾病的机制的方法。现有研究中存在的一个盲区是，即使使用测量组织刚度的最新方法，所得的结果仍存在各向异性。本研究提出了一种磁性微操纵装置，该装置能够在大范围的工作空间内产生均匀的磁场梯度，并能够测量沿三个正交的轴的组织刚度的变化。通过将该设备应用于器官发育阶段的小鼠胚胎，我们确定了下颌弓内的空间异质性和方向各向异性刚度。这些性质对应于纤连蛋白的表达域和角度分布，并且对集群细胞的定向运动并在发育过程中使组织成形的机制具有潜在的研究意义。
04
通信作者：
冯欢欢 fenghuanhuan@hit.edu.cn；
马星 maxing@hit.edu.cn
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种能够对极低浓度样品进行指纹峰识别的检测技术。通过分析特征拉曼位移可以获取检测样本的化学键信息，同时SERS具有快速、无损检测的特点，被广泛应用到生物传感领域。然而传统的SERS探针通常为贵金属（例如：金、银等），通过贵金属颗粒表面的纳米结构来产生表面等离子体共振，实现拉曼信号的增强。对于生物检测，通常将待检样品加入到SERS芯片上或者在待检样品中加入过量的SERS探针（例如：金或银纳米颗粒），通过被动的扩散作用，SERS探针与待检样品相互接触。该方式缺乏可控性和检测准确性。因此，制备具有自驱动能力和小尺度下可操控的SERS探针成为一个重要的研究课题。本文通过水热法合成Fe3O4颗粒,并通过磁场诱导自组装的方法制备出表面包覆二氧化硅的磁性棒状微纳米马达。紧接着通过银镜反应，在二氧化硅表面生长出银纳米颗粒，作为表面增强拉曼检测的纳米热点。该SERS探针以磁场驱动微纳米马达作为运动精准可控的操作平台。通过外部施加梯度磁场，可以实现该SERS探针的定向运动，在微纳米尺度下可以精准地到达检测位置。当外部磁场由梯度磁场转变为旋转磁场，SERS探针也会由定向运动转换为旋转运动，可以实现在微小尺度下SERS探针与周围物质的快速交换。该基于磁性纳米马达的表面增强拉曼光谱探针有望为未来主动式、智能化SERS探针的研究提供新的研究思路，在生物传感检测领域具有巨大的应用前景。
05
基于磁驱纳米马达集群增强光催化效率的研究
通信作者：
Li Zhang lizhang@mae.cuhk.edu.hk
通过化学合成方法制备磁性Fe3O4纳米颗粒，并进行表面功能化涂覆金纳米颗粒层，使其具有降解环境污染物的能力。在磁场与近红外光照共同作用下，纳米马达颗粒自发形成团聚体并具有高效快速的催化能力。相较于传动机械振动方式催化降解情况，当纳米催化剂与污染物低于一定浓度时，催化即戛然停止，致使降解不完全。为加快催化速度，提升催化性能，磁性纳米团聚体可保证纳米催化剂浓度一直处于局部高浓度状态，可快速实现污染物的完全降解。在较低功率近红外光照下，纳米马达团聚体亦具有较好光热效应，进而可以在较低催化剂用量条件下即可实现较高催化效率。纳米马达团聚体的运动特性与运动状态亦可通过编程磁场得到进一步控制，以实现定点位置污染物处理。纳米马达团聚体作为异相纳米催化剂，在化学反应中不会被消耗，因此只要在定点迁移过程中保证迁移效率，即可保证迁移后的催化能力。基于磁性纳米颗粒的可修饰性，磁性纳米马达团聚体未来有望负载更多种类纳米催化剂，主动按需加速不同种类催化反应，提高转化效率，广泛应用于环境与工业应用中。此外，特定材料和结构的设计亦有望拓宽光照增强催化，实现磁性等离子体纳米催化剂的应用，进而达到精准地控制反应速率与反应开关。
06
通信作者：
Changyong Gao changyonggao@hit.edu.cn
Qiang He qianghe@hit.edu.cn
液态金属镓是一种室温下呈液态的金属材料，具有良好的生物相容性、可降解性以及流动性等特点，被认为是制备生物医学应用游动纳米机器人的理想材料。贺强教授研究团队以液态金属镓为材料，通过结合纳米孔模板塑性成形和细胞膜包覆技术实现了白细胞膜表面伪装液态金属镓针状游动纳米机器人的批量制造。由于过冷效应，内核的镓在室温下依然呈液态，但是在弱酸性环境中随着保护层氧化镓的溶解，这些液态金属游动纳米机器人呈现出由针状到球形液滴的转变。同时修饰在氧化镓保护层上的环糊精能够高效装载并pH响应性释放抗癌药物阿霉素。表面修饰的白细胞膜可以还可以通过与癌细胞的特异性识别作用加速进入癌细胞，同时负载抗癌药物阿霉素的液态金属游动纳米机器人展现出良好的癌细胞药物和光热联合治疗能力。一方面可以利用液态金属镓的光吸收性质，通过施加近红外红外光辐照产生的光热效应杀死癌细胞；另一方面可以通过响应性释放装载的抗癌药物阿霉素实现癌细胞的药物治疗。液态金属游动纳米机器人具有良好的抗血液污损、癌细胞药物和光热联合治疗能力。这种集驱动运动、变形-融合、药物装载、光热吸收和抗血液污损能力的液态金属游动纳米机器人有望为新一代游动纳米机器人设计提供新的研究思路，在癌症的主动协同治疗中具有巨大的应用潜能。
07
通信作者：
Leilei Xu xull@whut.edu.cn
Jianguo Guan guanjg@whut.edu.cn
镁基微米马达是以金属镁微球与环境液体介质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动力，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。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Janus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。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，延长了其运动寿命。
08
水凝胶微米马达在生物医用领域的需求及发展
通信作者：
Alexander Solovev solovev@fudan.edu.cn
Yongfeng Mei yfm@fudan.edu.cn
水凝胶微球具有优良的生物相容性、氧气渗透性和可注射性等优点，在生物医药方面有广泛的应用，能够作为药物的载体，控制药物的释放。但到目前为止，研究者们主要关注于水凝胶对化学/物理刺激的局部响应以及水凝胶的短程作用上，这限制了水凝胶的作用范围，比如输送药物的水凝胶微球只能局域短程给药。微马达是一种能将外界的化学能或者物理刺激（如超声、光、电、热、磁等）转化为自身机械能，从而实现自推动功能的微米级装置，具有长程自主运动的特点。但多数微马达的材料及其驱动方式并不完全与生物体兼容。将水凝胶与微马达集成在一起则可以结合二者的优势，制备出具有多响应机制、生物相容的、能长程作用的水凝胶微马达，大大拓展二者在生物医药领域的应用。为了实现这些具有挑战性的目标，需要同时实现水凝胶微马达的有效运动和运动控制，并使其具备生物相容和可降解能力，以及在生物体内完成指定任务的能力。这篇综述总结了微马达和水凝胶交叉领域的最新进展，回顾了目前水凝胶应用于微马达的策略，提出了构建面向生物医药应用的水凝胶微马达的基本要求，并展望了未来开发水凝胶微马达的研究方向。
09
离子种类对脲酶驱动微米马达自推进性能的影响
通信作者：
Tania Patino tpatino@ibecbarcelona.eu
Samuel Sanchez ssanchez@ibecbarcelona.eu
酶驱动马达可以利用原位生物燃料实现自驱动，因此它们非常适合生物医学应用。然而，它们在生物流体中的运动以及驱动机制等研究是未来实现酶驱动马达在生物医学中应用之前必须解决的关键问题。本文研究了离子种类对脲酶驱动微纳马达的理化作用。结果表明，PBS，NaOH，NaCl和HEPES会降低脲酶驱动的微纳马达的自推进力，说明了其运动机制依赖于离子。本文利用数字全息显微镜研究了尿素酶微纳马达的三维运动，排除了马达-表面间相互作用是引起运动衰减的原因。在中等离子浓度下，表面修饰有甲氧基聚乙二醇胺（mPEG）的微纳马达的运动速度高于未修饰mPEG的马达的运动速度，因此修饰mPEG可以保护和最大程度地减少离子种类对微纳马达性能的负面影响。这些结果为进一步深入研究脲酶驱动微纳马达的机理、研究离子介质的作用以及降低酶驱动微纳马达的流动性提供了潜在的解决方案。
10
高吸收效率和强光谱响应的
可见光驱动微纳米马达的研究进展
通信作者：Longqiu Li longqiuli@hit.edu.cn
由于可见光在太阳能中所占比例较大，并且对生物无害，因此有潜力成为微纳米电机马达的能源。微纳马达，可将可见光转换为机械运动，以用于不同的应用，尤其是在环境修复中。然而，如何精确地控制可见光驱动的微纳米电动机微纳马达（VLD-MNMs）的运动并有效利用微弱的可见光光子能量来获取快速运动是重大挑战。这篇综述总结了最关键的方面，涉及光敏材料，推进机制，控制方法和VLD-MNMs的应用，并系统地讨论了系统地提高能量收集效率和适应性的策略。首先，将光敏材料分为无机和有机光敏材料并进行了全面的讨论。然后，提出了当前VLD-MNMs的不同推进机制，以解释驱动力、速度和环境适应性方面的改进。此外，考虑到VLD-MNMs易于控制的特点，我们总结了针对不同应用需求的VLD-MNMs的方向、速度和集群控制方法。随后，介绍了VLD-MNMs的潜在应用，例如在环境修复，微型泵，货物运输和微型传感等方面。最后，提供了有关提高VLD-MNMs的能量收集效率和适应性的未来方向的讨论和建议。
文章来源“Research科学研究”公众号
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