作者:官建国等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/6/25 17:04:33
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可以从空气中摄取CO2燃料的智能趋化微米马达

经过数百万年的进化,自然界中有许多生物或细胞具备了趋化运动的能力,即通过感知环境中的化学信号,产生朝向或远离特定化学物质运动的能力。趋化性运动不仅能调节多细胞生物的组织发育、肿瘤转移等,还能使许多单细胞生物寻找食物、规避毒素、协调群体运动。例如,精子细胞可以追踪卵细胞释放的化学物质(如孕酮,心钠素等)而找到卵细胞完成受精过程。大肠肝菌可以感知周围食物和毒素的化学信号梯度,从而产生朝向食物和远离毒物的趋化运动能力。为了实现趋化性,生物体配备了精密联动的传感、信号处理和推进系统,使其能通过感知化学信号梯度的时空差异来实时调整运动方向。作为一种仿生微纳米器件,化学驱动微纳米马达可将环境中的化学能转化为自身动能,表现出类似于精子细胞和大肠肝菌运动特性。由于其运动行为和在液相介质中装载、运输和释放微纳米货物的能力,有望为生物医学、微纳加工和环境治理等领域提供变革性技术。然而,目前的化学驱动微纳米马达主要是由生物不相容燃料(如H2O2, N2N4等)供能,更重要的是,它们自取向能力较弱,仅能表现出伪趋化性(或高级化学增活作用)。赋予微纳米马达仿生自取向趋化能力,可以使其具备高效“追踪”特定化学物质并主动“寻找”目标的自寻靶的功能,是微纳米马达智能化的关键,也是该领域面临的重要挑战之一。

最近,武汉理工大学官建国教授研究团队在《国家科学评论》发文,构筑了一种可从空气中摄取生物相容CO2燃料的自取向仿生趋化ZnO基双面神微米马达。仅需在ZnO微米粒子一侧溅射上一层惰性层(如SiO2层),即可制得的这种具有双面神结构的ZnO基微米马达。由于水中溶解的CO2可通过水化作用源源不断地提供H+,使马达的ZnO一侧持续发生化学腐蚀行为并释放Zn2+和HCO3-,从而驱动其产生基于电解质自扩散泳的自主运动。这种ZnO基双面神微米马达对水中溶解的CO2浓度高度敏感,可在超低CO2燃料浓度情况下实现自驱动,甚至可以利用CO2在空气/水界面的扩散行为直接从空气中获取CO2燃料。当水中存在局部CO2化学源时,这种ZnO基双面神微米马达可以通过接近和远离化学源表面的反应速率差异来感知CO2浓度梯度。

当运动方向偏离CO2浓度梯度方向时,ZnO基双面神微米马达会在其表面产生非平衡电渗流并形成电渗流扭矩。尽管有来自强烈随机布朗转动的干扰,在Mp作用下,它们可以通过旋转来动态调整其取向及运动方向,从而表现出朝向CO2化学源的正趋化性运动行为并快速聚集在CO2化学源附近。由于CO2是空气的重要组分,也是细胞或微生物的有氧呼吸的主要代谢产物,因此CO2不仅广泛存在于各种水介质中(如自然水体和生物介质),而且在细胞或微生物内外及其周围存在较高的浓度梯度。因此,这种仿生趋化ZnO基微米马达有望作为仿生微型机器人,通过追踪细胞或微生物产生的CO2信号自主“寻找”特定细胞或病原体微生物,并利用ZnO的抗癌抗菌活性执行靶向治疗和环境治理等任务。该工作不仅提供了一种以大气或内源性气体为燃料的微/纳米马达设计新思路,也将大大推动智能自寻靶生物医用微纳米机器人的研制与应用。

该论文的第一作者是武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室牟方志副研究员和硕士生谢琦,通讯作者为武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院教学院长官建国教授。该研究得到了国家自然科学基金创新群体项目、面上项目和湖北省自然科学基金杰出青年人才项目等的资助。(来源:科学网)

论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab066

 
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