西南交大孟涛团队CEJ：口形红细胞样胶体囊微机器人

作为21世纪纳米技术的尖端产物，微机器人凭借其小尺寸和独特的运动性能有望为解决生物医药、环境修复和传感检测等领域的困难任务带来革命性的解决方案。目前，几何不对称微机器人，一般需以特定材料经特定步骤制备出如火箭状、瓶状、降落伞状等载体，常面临材料选择局限性大，方法不通用等问题。动力源不对称分布微机器人，一般需先将部分载体掩蔽而后改性再释放形成Janus结构，步骤繁琐、条件苛刻，尤其对制备生物活性动力微机器人不友好。由此看来，发展能够在温和条件下，通过简单、高效、价廉的方法形成不对称结构，且拥有较宽可选材料范围的微机器人构筑新方法备受期待。

为了完成现实中复杂的任务，对于微机器人的速度调节、方向控制和多功能性提出了越来越高的要求。微机器人的运动速度一般可通过改变环境参数（如燃料浓度、温度、pH）、调节微机器人的结构（如形状、表面粗糙度）和改变外场能输入（如磁场、超声、光照）来实现。当受限于固有环境时，基于微机器人自身结构特性的调节方式凸显其优越性。控制微机器人的运动轨迹和方向在如靶向递送和环境修复等领域的应用中至关重要，因为微机器人需驱动到特定位置以发挥作用。依赖于趋向行为（如趋化性、趋光性）的方向控制受环境影响很大，且往往动力不足，运动范围有限。引入磁性成分，通过外部磁场来执行微机器人的运动导航，凭借其高度的可控性和优异的生物相容性等优势成为目前的首选方式。实际上，除了运动什么也不做的微机器人不是特别有用，只有当微机器人被赋予各种各样的功能以满足不同目标任务的需求时方能体现出其重要价值，然而结合多种功能于一个微小装置颇具挑战。

近日，西南交通大学孟涛教授（点击查看介绍）团队提出了一种以一步自组装法形成口形红细胞样胶体囊，通过选用不同特性纳米颗粒和生物分子为“乐高”积木，从而构建多功能微机器人的方法（图1）。鉴于酶的生物相容性、自然存在多样性及体内可应用性，以过氧化氢酶（CAT）为代表，与二氧化硅纳米颗粒（SiO₂ NPs）经一步乳化形成CAT酶引擎的口形红细胞样胶体囊微机器人（CAT-SCbots）。

图1. CAT-SCbots的制备及形貌表征

图2. 以不同R_O/W构建CAT-SCbots对其形貌及运动速度的影响

作者探究了胶体囊变形形成口形红细胞样结构的最佳条件及原理（图2），特别研究了胶体囊孔径大小对微机器人运动速度的影响及调节机制（图3）。

图3. 以不同大小SiO₂ NPs构建CAT-SCbots对孔径及运动速度的影响

图4. CAT/Fe₃O₄-SCbots的制备及磁导向运动

为了证明此平台构筑多功能微机器人的便利性，以框架颗粒SiO₂ NPs、动力酶过氧化氢酶（CAT）和磁性Fe₃O₄ NPs为积木组合，组建出了拥有磁控精确运动导航（图4）的微机器人（CAT/Fe₃O₄-SCbots）；以框架颗粒SiO₂ NPs、动力酶过氧化氢酶（CAT）和反应酶碳酸酐酶（CA）为积木组合，组建出了用于“on-the-fly”仿生封存温室气体二氧化碳（图5）的微机器人（CAT/CA-SCbots）。

图5. CAT/CA-SCbots的制备及其二氧化碳仿生封存应用

总结展望

本研究提供了一种灵活可行的方法来控制微机器人的速度、方向和功能。通过集成具有不同功能的模块单元，例如传感、成像、刺激反应和治疗，可用来设计和定制更多元的微机器人，以完成各种领域的复杂任务。该研究得到国家自然科学基金项目（22378336, 21776230, 22204130），四川省科技厅重点研发项目（2020YFG0092, 2022NSFS1211），中央高校基础研究基金（2682021ZTPY031, 2682021CX087）的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

SCbots: Stomatocyte-like colloidosomes as versatile microrobots fabricated by one-step self-assembly 

Wei Yin（尹伟）, Yiying Wang（王艺颖）, Huanyu Liu（刘环宇）, Mengmeng Sun（孙梦梦）, Yuli Zhang（张雨丽）, Hao Yuan（苑昊）, Ting Guo*（郭婷） and Tao Meng*（孟涛）

Chem. Eng. J., 2024, 490, 151952, DOI: 10.1016/j.cej.2024.151952

导师介绍

孟涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/186043 

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