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《国家科学评论》报道官建国教授趋化微米马达最新研究成果

发布时间:2021-06-23 16:01
  近日,实验室官建国教授团队在《国家科学评论》(National Science Reviews, NSR)发表文章,报道了一种可以从空气中摄取CO2作为燃料,并自取向靠近CO2源的ZnO基双面神微米马达。



        自然界中,有许多具有趋化运动能力的生物或细胞。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。人类模仿自然,正在设计制造多种仿生微纳米马达,希望它们可以将环境中的化学能转化为自身动能,并通过主动跟随特定的化学线索,在复杂或动态的环境中实现趋化运动,进而实现自我导航和自我靶向,为靶向给药、微手术、微型工厂等带来革命性的变化。但是,目前人工合成的化学驱动微纳米马达常常采用与生物不相容的化学物质(如H2O2, N2N4等)作为供能的“燃料”,对化学梯度的敏感性较低;加上它们的个体尺寸较小,易受布朗运动影响,自主运动方向表现出明显的随机性。因而,它们仅能显示假趋化(或宏观趋化)效果,不能实现自我靶向性能,这与生物趋化性的本质相去甚远。



        在这项研究中,官建国团队在ZnO微米粒子的一侧溅射上一层惰性层(如SiO2层),从而构筑了一种可以从空气中摄取生物相容性CO2燃料的自取向仿生趋化ZnO基双面神微米马达。由于水中溶解的CO2可通过水化作用源源不断地提供H+,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电泳的自主运动。这种微米马达对水中溶解的CO2浓度高度敏感,可在超低CO2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感知CO2浓度梯度,并向CO2化学源趋化运动。当运动方向偏离CO2浓度梯度方向时,微米马达的表面会产生非平衡电渗流并形成电渗流扭矩,从而发生旋转来调整取向及运动方向,最终快速聚集在CO2化学源附近。
        CO2是细胞有氧呼吸的主要代谢产物,因此,在细胞或微生物周围通常浓度较高。于是,这种仿生趋化ZnO基微米马达有望作为仿生微型机器人,追踪特定细胞或病原体产生的CO2信号,并在“自主寻找”到特定细胞之后,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,也将推动智能自寻靶生物医用微纳米机器人的研制与应用。
        论文的第一作者是武汉理工大学牟方志副研究员和硕士生谢琦,通讯作者为官建国教授。本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。

  

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