近年來(lái)，微電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面已取得顯著的進(jìn)步。尤其是流線型電機(jī)，能以較低流體阻力提高操作效率。然而，目前的流線型電機(jī)主要由無(wú)機(jī)材料制成，由于其復(fù)雜制造程序以及缺乏與生物系統(tǒng)交互的軟界面，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面存在困難。

近日，來(lái)自荷蘭奈梅亨大學(xué)（Radboud Universiteit Nijmegen）的Daniela A. Wilson教授團(tuán)隊(duì)使用微流控技術(shù)設(shè)計(jì)了具有線性和翻滾運(yùn)動(dòng)模式的流線型海藻酸鹽水凝膠微電機(jī)。相關(guān)研究成果以“Microfluidic Design of Streamlined Alginate Hydrogel Micromotors with Run and Tumble Motion Patterns”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

通過(guò)加入鉑包覆的Fe?O?納米粒子，這種水凝膠微電機(jī)具備催化推進(jìn)和精確磁導(dǎo)向雙重能力。通過(guò)精確調(diào)整微電機(jī)內(nèi)催化劑的定位區(qū)域，流線型水凝膠微電機(jī)不僅能夠提高推進(jìn)效率，還能實(shí)現(xiàn)線性和翻滾的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)模式。該設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)能夠在各種應(yīng)用場(chǎng)景中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的先進(jìn)微電機(jī)提供新思路。論文將從以下幾個(gè)方面對(duì)研究情況進(jìn)行詳細(xì)描述：（1）流線型藻酸鹽水凝膠微顆粒的制造和表征；（2）FeNPs和Pt@FeNPs的相關(guān)表征；（3）水凝膠微電機(jī)運(yùn)動(dòng)模式研究；（4）水滴形水凝膠微電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度研究；（5）水滴形水凝膠微電機(jī)在“RU”路徑下的磁導(dǎo)向研究。

研究人員首先通過(guò)同軸連續(xù)相（外相）生成由海藻酸鹽核心（內(nèi)相）和礦物油外殼（中相）組成的雙乳液液滴。雙乳液液滴在CaCl?溶液中進(jìn)行收集。由于藻酸鹽核心相密度較高，藻酸鹽溶液會(huì)逐漸破裂油殼，與收集溶液中的Ca2?接觸后開(kāi)始物理交聯(lián)。由于油相和海藻酸鹽相之間的線張力，海藻酸鹽液滴不斷擠出，而由于兩相水溶液之間的界面張力相當(dāng)，形成水滴形狀。與低粘度液體不同，海藻酸的高粘度降低外流的聚焦能力，導(dǎo)致液滴大小與外流流速之間的依賴性減弱。

另外，微流控器件的尺寸，即器件輸入和輸出毛細(xì)管的直徑，可以對(duì)顆粒大小進(jìn)行精細(xì)控制。通過(guò)增大器件的尺寸可以制造出更大的水滴狀水凝膠顆粒。使用更大尺寸的器件，顆粒的長(zhǎng)度平均可從70微米增加到400微米，寬度平均可從45微米增加到225微米。

此外，顆粒長(zhǎng)度和寬度與器件的粒度之間存在線性關(guān)系。每個(gè)器件都能產(chǎn)生窄而單分散的顆粒分布尺寸，相對(duì)于各自平均值，長(zhǎng)度的變異系數(shù)（CV%）為3%到7%，寬度的變異系數(shù)為2%到4%。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像示，水凝膠顆粒具有光滑表面。低溫掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）進(jìn)一步顯示水凝膠內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)。因此，從水凝膠顆粒的表面到內(nèi)部，交聯(lián)度會(huì)呈梯度下降。

圖1 水滴形藻酸鹽水凝膠微顆粒的制造和表征

為設(shè)計(jì)具有不同催化劑聚積位點(diǎn)的水凝膠微電機(jī)，該研究合成了Pt@FeNPs作為模型催化劑，該催化劑同時(shí)具有磁導(dǎo)向和化學(xué)活性。首先合成直徑為150nm的FeNPs，然后在FeNPs表面合成Pt（Pt@FeNPs）。由于在FeNPs上的形成鉑，生成的Pt@FeNPs直徑明顯增加。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定，Pt@FeNPs中的鉑和鐵的濃度分別為54wt.%和34wt.%。微流控技術(shù)可以在生成雙乳液液滴之前將相關(guān)物質(zhì)與內(nèi)相混合，從而方便封裝這些物質(zhì)。將Pt@FeNPs與藻酸鹽溶液混合后，采用相同交聯(lián)程序，可以得到均勻分布的顆粒（主體）。

大部分封裝的Pt@FeNPs位于液滴界面和水凝膠顆粒表面，與單純水凝膠顆粒的光滑表面相比，該表面較為粗糙。在水凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)中偶爾會(huì)出現(xiàn)一些封裝的Pt@FeNPs。納米粒子向海藻酸鹽表面聚集的原因是雙乳液液滴的界面能下降。

當(dāng)微電機(jī)暴露在H?O?中時(shí)，表面的粗糙度有助于固定住氧氣泡。為進(jìn)一步控制Pt@FeNPs在水凝膠顆粒中定位，在交聯(lián)過(guò)程中研究人員將磁鐵置于收集瓶底部或頂部。在230 mT磁場(chǎng)下，Pt@FeNPs成鏈排列，并根據(jù)磁鐵位置遷移到藻酸鹽核心底部或頂部。交聯(lián)完成后，Pt@FeNPs固定在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成頭部偏移（Head）或尾部偏移（Tail）的顆粒。

圖2 FeNPs和Pt@FeNPs的相關(guān)表征

接著研究人員探究了通過(guò)添加3.5% H?O?作為化學(xué)燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)三種電機(jī)不同運(yùn)動(dòng)模式的可能性。“主體”水凝膠微電機(jī)由于具有均勻分布的Pt@FeNPs，始終具有多個(gè)氣泡固定位置，從而形成翻滾型運(yùn)動(dòng)軌跡?！邦^部”和 “尾部”水凝膠微電機(jī)表現(xiàn)出更多的線性運(yùn)動(dòng)軌跡，微電機(jī)主要朝各自尾部和頭部方向運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)行為是由于催化劑所在的頭部以及尾部區(qū)域產(chǎn)生了氣泡。尾部微電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)偶爾也會(huì)出現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。圖3D展示了主體、頭部和尾部微電機(jī)的不同運(yùn)動(dòng)模式。為比較不同水凝膠微電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，在3.5% H?O?中對(duì)每種類型的20個(gè)最高效電機(jī)進(jìn)行20秒鐘的追蹤。

本運(yùn)動(dòng)研究中沒(méi)有使用表面活性劑，表面活性劑通常是用來(lái)促進(jìn)氣泡產(chǎn)生以達(dá)到推進(jìn)目的。結(jié)果顯示，得出的平均均方位移（MSD）曲線具有拋物線特征，表明水凝膠微電機(jī)在做彈道運(yùn)動(dòng)。從軌跡中可以得到三種微電機(jī)的速度大小。頭部微電機(jī)的推進(jìn)速度最高，主要是由于催化劑集中在頭部區(qū)域，有利于氣泡聚集在同一區(qū)域。尾部微電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度受到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響，而主體微電機(jī)的推進(jìn)效率最低，因?yàn)榇呋瘎┓植挤稚?，氣泡分散在多個(gè)位置。

圖3 水凝膠微電機(jī)運(yùn)動(dòng)模式研究

為研究運(yùn)動(dòng)速度與顆粒尺寸、粘度和燃料濃度之間的關(guān)系，研究人員選擇頭部水凝膠微電機(jī)作為模型進(jìn)行研究。利用不同尺寸的微流控器件，可以生成小、中和大型微電機(jī)。隨著微電機(jī)尺寸的逐漸增大，其平均MSD和速度的相關(guān)性顯著增加。運(yùn)動(dòng)能力的增強(qiáng)可歸因于在保持相同催化劑濃度的情況下，較大尺寸顆粒內(nèi)催化劑的負(fù)載量大幅增加。為探索運(yùn)動(dòng)速度與粘度之間的關(guān)系，該研究將甘油溶解到水中來(lái)模擬體內(nèi)環(huán)境。在整個(gè)研究過(guò)程中，H?O?燃料的濃度始終保持在3.5%。

當(dāng)甘油濃度從0%增加到24%時(shí)，微電機(jī)的平均速度從150微米/秒下降到50微米/秒。當(dāng)甘油濃度增加到60%時(shí)，速度進(jìn)一步下降到18微米/秒。此外，在甘油存在的情況下，氣泡尺寸增大，氣泡釋放頻率降低。氣泡穩(wěn)定性的提高可能源于甘油對(duì)液體蒸發(fā)的抑制作用。推進(jìn)速度的降低可歸因于介質(zhì)粘度升高導(dǎo)致阻力增大以及氣泡釋放頻率降低。在2.0% H?O?濃度下，微電機(jī)的速度相對(duì)較慢，僅為27微米/秒；而在3.5% H?O?濃度下，微電機(jī)的速度明顯提高到150微米/秒。速度大幅提高表明存在一個(gè)H?O?的閾值濃度，能有效產(chǎn)生氧氣泡來(lái)推動(dòng)微電機(jī)。進(jìn)一步提高H?O?濃度可逐漸提高電機(jī)的速度，在7.0% H?O?濃度下可達(dá)到210微米/秒。

與其他同樣使用鉑作為催化劑的類似尺寸電機(jī)相比，本水凝膠微電機(jī)效率更高，在相對(duì)較低H?O?濃度下就能達(dá)到更高推進(jìn)速度。催化劑的聚集以及海藻酸鹽水凝膠表面粗糙度和多孔網(wǎng)絡(luò)在促進(jìn)氧氣泡高效產(chǎn)生和固定方面發(fā)揮重要作用。這些因素加上流線型形狀共同促成頭部微電機(jī)性能和效率的提高。

圖4 “頭部”水凝膠微電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度研究

總之，該研究使用微流控技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種流線型水凝膠微電機(jī)的制造策略。藻酸鹽微電機(jī)的尺寸可以通過(guò)調(diào)整微流控裝置小來(lái)精確調(diào)節(jié)。根據(jù)催化劑分布不同，得到三種類型的微電機(jī)（頭部、主體和尾部），它們具有不同的運(yùn)動(dòng)模式。目前的微流控設(shè)計(jì)提供了一個(gè)多功能平臺(tái)，集成下一代微電機(jī)的關(guān)鍵特性，包括低成本制造、精確控制下進(jìn)行高通量生產(chǎn)、生物可降解性、高推進(jìn)效率和精確磁導(dǎo)向。該微電機(jī)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有巨大潛力。未來(lái)有必要研究微電機(jī)在藥物靶向遞送和細(xì)胞輸送等應(yīng)用中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。

審核編輯：劉清