德克薩斯大學鄭躍兵團隊：光-熱電微型遊泳器件助力靶向給藥

2020-09-09 高分子科學前沿

光-熱電微型遊泳器件助力靶向給藥

近日，德克薩斯大學的鄭躍兵教授課題組根據大腸桿菌的運動行為，開發了仿生光-熱電微型遊泳器件。器件由聚苯乙烯/金（PS/Au）雙面PS/Au微粒構成，這些PS/Au微粒由光熱反應產生的自維持的電場驅動。當他們用雷射束照射PS/Au微粒時，PS/Au微粒的表面產生了光致溫度梯度，形成一個光-熱電場來推動它們前進。

光-熱電微遊泳器件的光碟機動及轉向設計

研究小組根據PS/Au微粒的方向發現了微型遊泳器件的遊動方向。他們提出了一種新的光力學方法來理解微型遊泳器件的遊動方向，該方向依賴於因聚焦雷射照射引起的溫度梯度誘導電場。通過在設置時對第二次旋轉雷射束進行定時，他們將PS/Au微粒定位在需要的方位，以有效地控制PS/Au微粒的方向。利用暗場光學成像和反饋控制算法，科學家們促進了微型遊泳器件的自動化運行。光-熱電微型遊泳器件將應用於膠體系統、靶向給藥和生物醫學傳感等領域。該研究以題為「Opto-thermoelectric microswimmers」發表在最新一期的《Light: Science & Applications》上。

【微型遊泳器件】

微型遊泳器件是一種能將外界的化學、聲學或電磁能量轉化為遊泳動力的微型機械。這種機器在生物醫學方面應用廣泛，包括靶向給藥、精密手術和診斷傳感等。在這項工作中，Peng等人製備了一種基於PS/Au雙面PS/Au微粒的全光碟機動的微型遊泳器件，在散焦雷射照射下，PS/Au微粒兩面對光的不對稱吸收導致了表面產生溫度梯度，進而形成電場，驅動PS/Au微粒運動。在第二束聚焦雷射照射下，PS/Au微粒完成了平面內旋轉。該實驗成功的模仿了大腸桿菌的「奔跑-翻滾」運動。由於熱電力、光力和斯託克斯阻力（stokes drag force）的作用，該團隊實現了穩定的PS/Au微粒旋轉。

正在「遊泳」的PS/AuPS/Au微粒

【概念與設計】

為了促進光子到聲子(光到聲)的能量轉換，研究人員在PS微粒的一半表面上塗覆了一層Au製備光-熱電微型遊泳器件。在光照射下，PS和Au的對光的吸收差異導致了其表面的溫度梯度。研究人員將PS/Au微粒分散到水溶液中，將熱能轉化為機械能。在雷射照射和熱電場驅動下，PS/Au微粒沿PS-to-Au方向運動，顯示出遊動的狀態。然而，熱波動可能會改變PS/Au微粒的遊動方向，導致它們在遷移過程中偏離原定的路線。為了保證PS/Au微粒向目標移動，研究人員關掉了散焦雷射束，採用一束聚焦雷射來旋轉和捕獲PS/Au微粒以重新定位。在到達目的地後，再關閉聚焦雷射束，重啟散焦雷射束，使PS/Au微粒回到遊泳狀態。這種雙狀態切換過程提供了最佳的設計，積極引導了微型遊泳器件實現多種功能。

PS/AuPS/Au微粒受散焦雷射驅動的遊泳行為

【光-熱電微型遊泳器件的遊動與方向控制】

當研究人員使用散焦雷射束驅動光-熱電微遊泳器件時，為PS/Au微粒實現了一個「能量池」（energy pool）。他們把沿著溫度梯度的運動稱為自發熱遷移。在十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)溶液中，自發熱遷移產生於熱電效應。研究人員可以減少實驗裝置的腔室厚度，以穩定流體流動，促進PS/Au微粒的定向移動。由於PS/Au微粒的遊動方向可以因為熱波動而隨機改變，因此需要第二束聚焦雷射束來實現粒子旋轉，從而有效地控制PS/Au微粒的遊動方向。

隨著雷射功率的增加，PS/Au微粒受到了強烈的熱效應和熱損傷，但是其本身的旋轉也加快了。旋轉速度與粒子的尺寸相關。為了探究這一種熱電力，研究人員對PS/Au微粒表面的溫度分布進行了模擬。並通過對熱電力與光學力的計算來探究微粒的旋轉動力學。

通過聚焦雷射控制PS/Au微粒的方向

【反饋控制方法導航微粒遊動】

研究人員隨後建立了一種反饋算法來主動控制PS/Au微粒的遊動方向。為了完成閉環控制，他們開發了一個電腦程式來跟蹤PS/Au微粒的實時位置和方向，並自動協調控制系統。在實驗中，兩束雷射束的開/關狀態分別有兩個計算機控制。研究人員實現了PS/Au微粒的定向遊動。然而，旋轉速度的增加會降低了遊動方向的控制精度。為了解釋這一點，研究人員使用了更高幀率電荷耦合器件(CCD)相機來提高反饋控制的準確性。這項工作表明了光-熱電微型遊泳器件攜帶藥物分子和非金屬部件進行精確傳遞的潛力，在靶向納米給藥方面具有潛在的應用前景。

採用反饋控制方法對PS/Au微粒進行導航

總結：作者開發了基於PS/Au微粒的，具有全光碟機動和導航功能的光-熱電微型遊泳器件。被光照射的PS/Au微粒產生的熱量形成了一個熱電場，在沒有化學燃料的情況下推動粒子朝一個特定的方向前進。作者還利用另一束聚焦的雷射來控制微泳者的方向，該器件為生物醫學領域中開發多任務智能微機器人提供了進一步的探索。

來源：高分子科學前沿

投稿模板：

單篇報導：上海交通大學周涵、範同祥《PNAS》：薄膜一貼，從此降溫不用電！

系統報導：加拿大最年輕的兩院院士陳忠偉團隊能源領域成果集錦

相關焦點

  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    ，基於碲化鉍/碲化銻超晶格複合薄膜的微型熱電器件及其製冷效果。要點39：微型熱電器件相比於傳統熱電器件，微型熱電器件的輸出功率相對較小。然而，微型熱電器件具有尺寸小，設計靈活，應用廣泛等特點，因此是熱電研究領域的一個熱門方向。本小節例舉了微型熱電器件的設計思路，組裝流程，以及其應用於熱電發電和製冷方面的典型案例。
  • 光器件為什麼使用TEC - 訊石光通訊網-做光通訊行業的充電站!
    保證器件的性能：某些光器件只有在穩定的溫度下，才能體現出最優性能。例如EML晶片，其DFB部分溫度漂移係數為0.1nm/℃，其EA部分的溫度漂移係數為0.5nm/℃，兩者存在嚴重的不匹配。  小尺寸：光器件中的TEC尺寸都很小，如TO中的Mirco-TEC尺寸面積在3mm2以內，其中熱電晶粒尺寸在0.3x0.3x0.4mm3以內;   高製冷效率(COP)：製冷量與輸入TEC總功率的比值是製冷效率。
  • 基於氮化碳的光催化驅動有機微遊泳器能夠在黑暗中遊動
    本項目利用光吸收和電荷存儲的雙重功能，進一步表明，H 2 O 2可以進行光感應充電，從而可以在照明停止後持續增強推進力，持續時間約為初始照明時間的30倍。 ，其中一些粒子顯示了超過半小時的黑暗彈道遊泳。這種"太陽能電池遊泳"概念有可能實現新的微型/納米機械應用，例如在黑暗條件下（例如，在人體內部）的藥物輸送和環境修復，以及微型/納米機械的原位電源。
  • 華中科大楊榮貴教授團隊在柔性熱電器件研究取得重大進展
    近日，國際頂級學術期刊《科學》子刊《科學進展》發表華中科技大學楊榮貴教授團隊
  • 上海大學駱軍教授團隊發表關於發現柔性無機非晶熱電材料研究進展
    傳統的無機晶體熱電材料（如Bi2Te3，GeTe和PbTe等）雖然具有優異的熱電性能，但是由於晶體結構中較強的離子鍵和/或共價鍵，通常表現出較差的機械性能，特別是塑性和可加工性差，在彎曲、拉伸和壓縮應力下易於斷裂導致器件損壞，限制了熱電材料的實際應用。近年來可穿戴式設備、微型晶片等的迅猛發展，迫切需要基於熱電轉換技術的自供電電池和微型製冷器件等，同時這也對熱電材料的機械性能提出了更高的要求。
  • 利用「器件」指導「材料」的反向設計實現「雙高」熱電器件
    實際應用中，高轉換效率和高功率密度是熱電發電系統設計的重要技術指標。長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而另一個關鍵性能參數—功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為熱電發電技術實用化的關鍵。
  • 熱電薄膜材料的設計及其器件集成
    熱電材料是能將「熱」與「電」兩種不同形態的能量相互轉換的「綠色能源」材料，可充分利用日常生產和生活中的廢熱再發電。以熱電材料製造的溫差電池具有清潔、穩定性高、堅固、壽命長等一系列優點，是我國資源高效利用、餘熱餘能回收等節能環保科技專項中的重要研究內容。然而，目前熱電材料的能量轉化效率普遍只有~10-15%，嚴重製約著能量的利用率。
  • 國外研究發現微型自供電溫度傳感器晶片可用於高靈敏熱電偶設計
    4月15日消息，據外媒報導，來自牛津大學、代爾夫特大學和IBM蘇黎世的一組研究人員證明，石墨烯可用於構建靈敏且自供電的溫度傳感器。這一發現為高度敏感的熱電偶的設計鋪平了道路，該熱電偶可以集成在納米器件甚至活細胞中。
  • 上海矽酸鹽所在熱電器件研究中取得進展
    熱電發電器件是利用半導體材料的澤貝克效應將熱能直接轉換成電能，可用於空間特種電源、工業餘廢熱回收等領域。在實際應用中，轉換效率和功率密度是熱電發電系統設計的重要技術指標。長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而另一個關鍵性能參數——功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。
  • 機器人視界|微型機器人 助力精準醫療
    微型機器人應用價值——助力精準醫療 微型機器人在醫療領域中的應用主要包括治療、手術、診斷和醫學成像，每一個應用都旨在應對醫學中的不同挑戰。例如，能動的微型/納米機器人可以直接遊入目標區域並傳遞精確劑量的治療有效載荷，因此，在降低副作用的同時保持其治療功效，這是使用具有低定位功效的被動給藥方法時的常見問題。 另一方面，使用微型/納米機器人進行手術可能會到達無法通過導管或侵入性手術到達的身體區域，從而可以對組織進行採樣或將治療有效載荷深入患病組織。
  • 具有生物相容性的載藥遊泳尖兵——精子模板磁性微型機器人
    微創手術和微型機器人輔助的靶向治療是一種創新技術，可以同時降低幹預水平，將藥物集中在特定部位，從而降低副作用的風險。這些不受束縛的微型機器人可以以非侵入性的方式進入狹小的空間。這一特性有望幫助臨床醫生應對需要進入人體難以到達區域的疾病。
  • 大幅提高熱電轉換效率!南科大團隊在熱電材料領域取得重要進展
    &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp見圳客戶端．深圳新聞網2020年6月28日訊（見圳客戶端、深圳新聞網記者 金洪竹）近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電材料能量轉換研究中取得重要進展
  • 微型機器人：由雷射驅動，未來可用於顯微外科手術
    微納機器人在無創手術、靶向藥物運輸和生物傳感檢測等領域具有廣泛的應用。（圖片來源：EPFL/EPFZ)將電子器件微型化以生產細胞大小的微型機器人，一直是科學家們追求的目標。但由於缺乏合適的微米級致動器系統，這項技術一直受到限制。十多年來，科學家們一直在努力開發可使微型機器人在體液中行進的微米級致動器。
  • 研究人員在熱電器件轉換效率與功率密度上取得重大突破
    長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。
  • 上海大學重要突破!首個具有優異柔性和熱電性能的無機非晶材料
    熱電材料由於能夠通過內部載流子的運動實現熱能和電能之間的直接相互轉換，在溫差發電和熱電製冷方面具有實用價值，因而受到了廣泛的關注。傳統的無機晶體熱電材料（如Bi2Te3，GeTe和PbTe等）雖然具有優異的熱電性能，但是由於晶體結構中較強的離子鍵和/或共價鍵，通常表現出較差的機械性能，特別是塑性和可加工性差，在彎曲、拉伸和壓縮應力下易於斷裂導致器件損壞，限制了熱電材料的實際應用。
  • 南科大團隊在熱電材料領域取得重要新進展
    南都訊 記者朱倩 通訊員黃綺夢 近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電材料能量轉換研究中取得重要進展，相關成果以 「在n型Bi2Te3基熱電材料中實現創紀錄的高性能」為題在能源和環境領域頂級期刊《能源與環境科學》Energy & Environmental Science在線發表
  • 南方科技大學科研團隊在環境友好型中溫區熱電材料研究中取得進展
    近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊首次在環境友好型SnTe基熱電材料中引入二維範德瓦爾斯（van der Waals）面缺陷以增大其平均熱電優值，為中溫區熱電材料的研究提供了新的思路。
  • Science:熱電新突破,廢熱可驅動電子器件工作!
    電子器件中的廢熱問題自旋電子器件中的有源元件必須按比例縮小到越來越小的尺寸，從而產生更高的電荷和自旋電流密度。同時，產生大量對電器件有害的廢熱。近來，實驗和理論研究表明，廢熱未來可以用於節能設備中，譬如利用廢熱發電，傳感或計算。
  • 輻射製冷技術:讓熱電器件晝夜持續發電!
    有機太陽能電池（圖片來源：UNIST）熱電器件使用器件頂部與底部之間的溫差產生電力，有望利用自然產生的能量。儘管比光伏電池更高效，但是許多熱電器件會翻轉它們的電壓正負標識，這意味著電流改變了流動方向，當環境溫度變化時，電壓每天至少有兩次會降為零。
  • 輻射製冷技術：讓熱電器件晝夜持續發電
    儘管比光伏電池更高效，但是許多熱電器件會翻轉它們的電壓正負標識，這意味著電流改變了流動方向，當環境溫度變化時，電壓每天至少有兩次會降為零。熱電發電機（圖片來源：北卡羅萊納州立大學）冷卻可用於創造出一個相對於環境溫度的溫差，有了溫差，才能進行熱電發電。」論文作者們測試了一個由波長選擇的熱輻射器組成的熱電器件，這種熱輻射器可以採用輻射製冷技術在白天持續地冷卻器件，讓熱能從器件擴散到空氣中。結果，器件的頂部比底部更冷，從而引起溫度差異，不分晝夜以及各種天氣條件產生恆定的電壓。