一種利用氣體輔助策略製備的具有複雜運動能力的雙驅動微球馬達

截止目前， 基於Janus結構的微、納馬達已被提出可應用於如水環境修復、藥物運輸和生物傳感等領域。儘管科學家們已經在開發微馬達上投入了大量精力，並且有了多種微馬達製作策略，但是在製作過程中，仍然存在很多問題，例如昂貴的成本，較低的產率和不可避免使用的一些有機溶劑、化學交聯劑、表面活性劑、紫外線照射和細胞毒性試劑等。因此，這些微馬達在生物醫藥等相關領域的應用受到了一定的限制。如何製造出一種具有高生物相容性且可控的微馬達是一項重要挑戰。

針對這些挑戰，黃超伯教授課題組和哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授團隊提出利用一種簡單且高通量的氣體剪切方法來製備微馬達。通過該方法製備的多面微球微馬達具有高度的調節性、很好的生物相容性和完成複雜運動的可行性。該微球作為一種具有自主運動能力的水性微馬達在生物醫藥等相關領域體現出了巨大的潛力。具體來說，該研究使用了自製的噴頭裝置（SED）, 結合氣體剪切的策略，製備出多達8面異性的微球結構（圖1a）。考慮到生物相容性的問題，在製備過程中僅使用了美國食品藥品監督管理局（FDA）批准的海藻酸鈉（Na-Alg），以及生物催化劑過氧化氫酶和具有生物相容性的四氧化三鐵納米顆粒（Fe3O4）等。微球的驅動力來源於外部磁場和過氧化氫酶介導的燃料分解，使得微球可以在磁場的作用力和氣泡的推動力下產生可控的運動，從而形成雙動力微馬達。通過控制外部磁場和微球各個腔室中材料的組成等（圖2），可以讓微球完成按照設計的各種軌跡的運動，如旋轉運動、直線運動、曲線運動和圓周運動等（圖1b），體現了該方法製備微馬達具有的高度的靈活性和可控性。

圖1 雙動力微球馬達製備和運動軌跡示意圖。

圖2 氣體輔助方法製備微球的高度可控性展示。

為了證明雙驅動的可行性，首先製備了Janus微球並進行磁力驅動以及磁力和酶雙驅動的驗證，結果如圖3所示，微球可以輕鬆實現單驅動和雙驅動。接下來，該工作以8面微球為例，製備了磁性顆粒空間和非磁性顆粒空間交替的8面異向微球微馬達，通過設計微球空間的結構成功實現了微馬達的各種軌跡運動（圖4）。在之後的研究中，為了實現更複雜的運動，研究人員將梯度的過氧化氫酶裝載在8面微球的4個相鄰的腔室中，由於產生氣泡速率不同，各個面受到的驅動力也產生區別，而這些梯度力使得微球不斷地實現複雜的圓周運動（圖5）。

圖3 微球在雙動力作用下的可控運動軌跡。

圖4 微球的可控運動。

圖5 微球在梯度過氧化氫酶作用下進行重複圓周運動。

綜上所述，該雙動力微球微馬達具有很好的可控性。在之前的工作中他們已經證明所製備的微球具有較好的生物相容性。同時，該方法具有極高的製備通量，在20秒時間內可製備約2000個微球，這使得所製備的微馬達的實際應用成為可能。這些優異的性能表明，基於氣體輔助策略製備的可控微馬達可以在環境修復、藥物運輸等方面起到重要作用。在未來的研究中，還可以通過改變微球腔體中的材料成分，提供更多的動力來源來為此類生物相容性微馬達開拓更大的應用前景。

相關成果發表在國際權威期刊Chemical Engineering Journal（IF: 10.652）上。論文的第一作者為南京林業大學化學工程學院和哈佛大學醫學院聯合培養博士生唐國勝，其他作者為南京林業大學本科生陳龍、哈佛大學醫學院連黎明、南京林業大學李芳華、 哈佛大學醫學院聯合培養博士生Hossein Ravanbakhsh、哈佛大學醫學院博士後王冕。通訊作者為哈佛大學醫學院Y. Shrike Zhang教授和南京林業大學化學工程學院黃超伯教授。

該工作是黃超伯教授課題組的第三篇關於多面異向微球的系列工作。當前，多面異向微球在生物醫學工程和材料科學中受到廣泛關注。由於單個微球可以在不同空間中攜帶多種材料，因此在多藥物釋放、細胞共培養、微驅動、多靶點檢測等領域有很多重要的應用。然而，由於以往製備技術的限制，導致微球缺乏優良的生物可相容性。基於此，該課題組首次提出了一步無油氣體輔助策略製備多面異向微球。微球尺寸可以控制在數十到數百微米之間，具有很好的單分散性且產量極高。通過改變同軸微針頭系統的結構，可以輕鬆地製備得到2-10面異向微球，並精確控制每個腔室的性質。前兩篇工作分別發表在Advanced Science和Small上，該方法已經被證明可應用於多細胞共培養、藥物防偽和自驅動等領域。在生物醫藥和材料科學領域有著重要的應用價值。

論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127187

https://doi.org/10.1002/smll.201907586

https://doi.org/10.1002/advs.201802342

作者簡介：

唐國勝為南京林業大學在讀博士、哈佛大學醫學院聯合培養博士。博士期間，首次提出了新型氣體輔助策略製備多面異向微球並探索其在生物醫藥領域的應用。在哈佛醫學院的主要研究方向為3D生物列印和器官晶片等。截止目前，共發表學術論文28篇。其中SCI收錄論文15篇，第一作者論文7篇，引用650餘次，單篇最高被引用200餘次，H因子8，累計影響因子超過110，單篇最高影響因子為15.84，影響因子大於10分的5篇，其中3篇為第一作者， 3篇文章入選全球Top 1% ESI高被引論文，已授權發明專利13項。相關成果得到了包括《科技日報》、《江蘇科技報》、《南京日報》等重點報導。

黃超伯教授現任南京林業大學化學工程學院副院長，博士生導師，2013年入選第四批「江蘇特聘教授」並全職回國，2011年比利時根特大學（Ghent University, Belgium）獲藥學博士學位，2011-2013年在瑞士聯邦理工（洛桑）（EPFL, Switzerland）從事博士後研究工作。目前主要從事生物質高分子功能材料的製備及其應用研究，以微流體及靜電紡絲技術為主要製備手段，在多學科交叉融合的基礎上，從分子水平作用機理出發，揭示木質纖維素基納米材料多維結構構築、分級形貌調控和智能響應等作用機理，並以此為支撐，開展木質纖維素材料的高值化利用基礎研究。近年來在Adv. Mater.、Adv. Sci.、Small、ACS Appl. Mater. Inter.、Carbon、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Chem. Soc. Rev.等期刊發表SCI論文60餘篇，被他人引用2300餘次，累計影響因子超400，影響因子大於10的7篇，單篇最高被引用246次，5篇文章入選全球Top 1% ESI高被引論文，2篇入選熱點論文，已授權發明專利13項，出版英文專著兩部。先後主持國家重點研發計劃子課題，國家自然科學基金面上項目和應急基金項目等 8 項科研項目。課題組網頁：https://www.x-mol.com/groups/huangchaobo

Yu Shrike Zhang教授為美國哈佛大學醫學院助理教授，2013年於Georgia Institute of Technology生物醫學工程系取得博士學位。研究領域包括生物列印及器官晶片的平臺搭建與應用研究，在相關領域發表研究論文及綜述200餘篇，H因子58，被引用12000餘次，包括以第一或通訊作者發表的Science、PNAS、Nat. Rev. Mater.、Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超過40篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/STAT News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、C&EN、《科技日報》等報導。擔任十餘本雜誌的主編、副主編和編委等，曾獲得多種國際和地區性獎項40餘項。課題組網頁：https://shrikezhang.com/

來源：高分子科技