【纳米】液滴微流控助力微马达多样化

来源：X一MOL资讯

微米马达在环境修复、靶向给药和无创手术等领域具有广阔的应用前景。然而，在人工制备微米马达时，如何改进结构和材料成分以提高其运动性能和多功能性方面还存在不足。鉴于此，香港大学机械工程系王立秋教授团队提出了一种基于液滴微流控的微纤维约束法，来精确设计和制备三维各向异性的微颗粒人工马达。

微马达是将各种能量转化为有效机械运动的微型机器，可以为小型机器人系统提供动力并执行任务（如环境修复、靶向给药、无创手术和组织组装等）。受微生物和分子马达运动的启发，人工微马达致力于模仿生物马达的功能和群体智能。然而，在复杂环境下实现微马达的有效运动和多功能化存在极大困难。在低雷诺数下，微马达需要克服粘性阻力、甚至布朗运动才能以最大化速度推进；环境的复杂性（例如，在高度约束的通道中、在具有可变几何形状的人体或生物中）为提高微马达的运动效率设置了更大的障碍。此外，功能化微马达对于完成传感、导航、通信、货物装载和输送等多项任务是必不可少的，这就要求将多种功能部件和新材料结合起来。考虑到大多数微马达是基于颗粒的，因此开发具有精确结构和组成的各向异性微粒的制造方法是非常有意义的。

用传统的制造技术来制备具有良好设计的三维结构和材料分布在微观尺度下精确控制的微马达是一个挑战（例如，大多数微马达都是管、棒、螺旋线或球体组成的简单几何形状）。而液滴微流控技术可以有效地生成一系列液滴模板，用于实现预先设计的形状（球状、棒状、圆盘状及新月状等）、区域化（双面、核壳及多层结构等）和微观结构（表面或内部结构）。此外，液滴微流控技术允许使用各种不同材料，包括光固化、热固化和离子交联聚合物、无机化合物、金属、金属氧化物和刺激响应的智能材料等。液滴微流控技术可以通过将材料精确地放置在不同的区域，如占据一部分、封装在内部、覆盖在微粒表面，实现各向异性的颗粒人工微马达的制备；几何约束可用于精确使液滴模板变形，形成不同的形状；液滴模板的选择性凝固可用于产生各种多面体微粒。因此，液滴微流控技术提供了高度的准确性和可控性，可以精确地控制所制备微马达的尺寸、结构和材料。

基于液滴微流控技术的微纤维约束方法，可实现对微米马达的形状、结构、尺寸和组分进行独立系统地调控，从而为研究各项参数对微马达运动的影响提供了一项平台型的制备技术，使微马达的优化成为可能。在这项工作中，制备的主要思路是利用微流控技术将液滴封装在微纤维中，通过控制液滴在纤维内部的有序组装及微纤维干燥过程中的体积收缩程度，精确控制微液滴的变形，固化液滴后产生各向异性的微颗粒马达。实验中演示了基于光和热固化材料的微马达的制备。微马达结构的各向异性源自于微液滴模板的可控变形，而材料的各向异性来源于功能化的乳液模板，二者双管齐下，实现微马达的多样化。通过控制油滴产生的频率，油滴/纤维相体积分数，以及不同的微纤维干燥方法，可以控制微马达的形状（纺锤形、鼓形、齿形、多层结构、半纺锤体、半鼓形）。通过选择不同的乳液模板及不同的材料，可以使制备的微马达在大小、结构（双面结构、核-壳结构、空心结构、 新月形纺锤体结构，多层结构等）和化学成分（表面或内部结构）上呈现出多样性。

通过掺杂铂和磁性纳米粒子，可使制备的微马达具有催化推进和磁性向导双重功能，其中铂催化双氧水的分解用于推动马达，而磁性颗粒允许在外部磁场下控制马达的运动，最终使得微马达能够执行精准捕获、灵活运送和随需释放货物的任务。除了通过外加磁场，微马达运动的控制还可通过改变外部环境的几何约束来实现。实验中发现，微马达的推进来源于氧气气泡的非对称脱离和自电泳的双重结合，微马达的大小及铂纳米颗粒的掺杂量都可用以控制马达的运动速度。

这一成果近期在线发表在ACS Nano上，文章的第一作者是香港大学博士研究生周春梅和博士后朱平安，通讯作者是王立秋教授。