3D打印功能微傳送系統(tǒng)——游泳Microtori

來(lái)源：增材之光

在最近發(fā)表的“ 形狀編程的3D打印游泳微托中，用于運(yùn)輸被動(dòng)和主動(dòng)藥劑 ”中，國(guó)際研究人員探索了模仿微生物“獨(dú)特的游泳行為”所面臨的挑戰(zhàn)（出于微細(xì)加工的目的）。然而，利用納米級(jí)的3D打印，他們已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出用于運(yùn)送生物物質(zhì)的微觀花托。

活性物質(zhì)系統(tǒng)已成為研究人員研究的熱點(diǎn)，但要使其發(fā)揮功能，它們必須能夠適應(yīng)其環(huán)境，必須具有復(fù)雜的行為并能夠作為自走式游泳者。

花托有兩種類型的表面涂層。在碳纖維狀TEM網(wǎng)格上“釉面”的Janus圓環(huán)的高分辨率透射電子顯微鏡（STEM）圖像。金屬帽已套在花托的頂部。比例尺為3μm。b在碳TEM網(wǎng)格上的“浸入式” Janus花托的SEM圖像。圓環(huán)的底部在底部被“切除”，以在印刷和金屬蒸發(fā)過(guò)程中提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。比例尺為2.25μm。c表示推進(jìn)速度對(duì)過(guò)氧化氫濃度的依賴性的圖表。紅色和橙色水平條分別是在0％H2O2上在金基底上的上釉速度和浸入托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進(jìn)速度。綠色和黃色正方形分別是在5％H2O2上在金基底上的上釉速度和浸入托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進(jìn)速度。深綠色鉆石是玻璃托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）在10％H2O2下在玻璃襯底上的推進(jìn)速度；相對(duì)而言，水鉆是在20％的H2O2下浸在金基底上的托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進(jìn)速度。紫色和深藍(lán)色三角形分別是在15％H2O2上在金基質(zhì)上的上釉速度（Ni含量為40 nm，Pt為10 nm）和浸入托里（Ni含量為10 nm，Pt為10 nm）的推進(jìn)速度。洋紅色，石灰和冰藍(lán)色圓圈是3μm的直徑艷麗的玻璃托里，7μm的玻璃托里和7μm的浸漬托里在30％H2O2下的推進(jìn)速度。這三個(gè)托里涂層具有40 nm的Ni和10 nm的Pt。完整的圖例可在補(bǔ)充圖3和補(bǔ)充說(shuō)明2中找到。誤差線表示該特定樣品的唯一標(biāo)準(zhǔn)偏差。

研究人員說(shuō)：“細(xì)菌系統(tǒng)表現(xiàn)出各種各樣的復(fù)雜行為，包括在化學(xué)梯度存在下的自發(fā)排列和流體的流變特性的改變。” “將這些復(fù)雜的行為轉(zhuǎn)換為人工系統(tǒng)對(duì)于流體輸送，小規(guī)�；旌虾湍繕�(biāo)貨物運(yùn)輸中的應(yīng)用特別有吸引力，但由于固有的納米加工限制，很難實(shí)現(xiàn)。”

迄今為止，許多最簡(jiǎn)單的構(gòu)造都被證明在游泳和其他行為方面不如－顯然，在使這類微粒成為科學(xué)家的功能性現(xiàn)實(shí)之前，必須取得更大的進(jìn)步。在這個(gè)項(xiàng)目中，研究人員創(chuàng)造了由磁場(chǎng)操縱的游泳花托。這些構(gòu)造物能夠運(yùn)輸以下物質(zhì)：

• 其他人工游泳者
• 雙金屬納米棒
• 被動(dòng)膠體粒子
  

他們創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立于水動(dòng)力和推進(jìn)機(jī)制的模型，“以解決在邊界附近游泳的微型鳥(niǎo)的新出現(xiàn)的現(xiàn)象”，并指出了游泳所需的元素-自感應(yīng)滑過(guò)表面的速度和靜電勢(shì)。這使得該團(tuán)隊(duì)可以繼續(xù)嘗試其他機(jī)制，并獲得與其他生物相容性系統(tǒng)（如固定的酶和光）相關(guān)的發(fā)現(xiàn)。

游泳軌跡。提取并重新定心的軌跡，用于線性平移浸蘸和釉面的Janus tori。b在增加的磁場(chǎng)中垂直定向的托里的軌跡。軌跡從擺線連續(xù)變?yōu)榫�性。藍(lán)色軌跡為0.8 G；綠色軌跡為0.9 G；和紅色軌跡為1.0 G

研究人員使用雙光子光刻技術(shù)3D打印了可編程結(jié)構(gòu)，其托里既化學(xué)驅(qū)動(dòng)，又充滿納米級(jí)特征。研究團(tuán)隊(duì)在論文中解釋說(shuō)，托里釉要么是釉面的，要么是賈努斯的，要么是斑塊的。

“在存在過(guò)氧化氫的情況下，由于自電泳推進(jìn)作用，花托瞬間開(kāi)始在表面上方盤(pán)旋。由于電荷的不穩(wěn)定性，即由自電泳產(chǎn)生的移動(dòng)表面電荷，托里爾自然地破壞了對(duì)稱性并傾斜到一個(gè)穩(wěn)定的角度。然后，花托滑過(guò)表面；最終組織成在三個(gè)維度上暢游的動(dòng)態(tài)集群�！弊髡呓忉屨f(shuō)。

“增加更復(fù)雜的外部場(chǎng)和化學(xué)梯度可用于間接和直接指導(dǎo)自主游泳者。然后可以將花托定向到將活的貨物（例如細(xì)胞）運(yùn)送到特定位置進(jìn)行細(xì)胞治療；或共同組織花托來(lái)指導(dǎo)其流動(dòng)以進(jìn)行細(xì)胞運(yùn)輸和分類。”

3D打印與一系列引人入勝的科研項(xiàng)目相關(guān)，包括納米級(jí)和微米級(jí)的輸送系統(tǒng)，無(wú)論是使用親水性基質(zhì)，微型儲(chǔ)液器甚至是精子機(jī)器人。

集體狀態(tài)a–b水平方向和垂直方向的Janus tori群集的圖像。水平定向的Janus粒子形成動(dòng)態(tài)，不穩(wěn)定的簇。垂直定向的二聚體在三個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)。c群集的活動(dòng)斑點(diǎn)（浸入）花托的圖像。聚合物是透明的，金屬斑塊以白色明亮地反射。浸入的花托附著在催化帽附近的顆粒上。所有比例尺均為6.5μm。

通過(guò)游泳花托積極進(jìn)行貨物運(yùn)輸。a時(shí)光倒流，顯示了游泳的雙金屬納米棒與微托的水力和電動(dòng)力連接。比例尺為7μm。b延時(shí)拍攝，顯示直徑為3μm的圓托運(yùn)輸了許多雙金屬納米棒。比例尺為2.5μm。c一張卡通圖，顯示了鏡筒相對(duì)于表面附近的雙金屬納米棒的垂直方向。在附近時(shí)，雙金屬納米棒沿著微觀花托的自生流體流線排列。比例尺為2.5μm