3D打印功能微傳送系統(tǒng)——游泳Microtori

來源：增材之光

在最近發(fā)表的“ 形狀編程的3D打印游泳微托中，用于運輸被動和主動藥劑 ”中，國際研究人員探索了模仿微生物“獨特的游泳行為”所面臨的挑戰(zhàn)（出于微細加工的目的）。然而，利用納米級的3D打印，他們已經(jīng)能夠設(shè)計出用于運送生物物質(zhì)的微觀花托。

活性物質(zhì)系統(tǒng)已成為研究人員研究的熱點，但要使其發(fā)揮功能，它們必須能夠適應(yīng)其環(huán)境，必須具有復(fù)雜的行為并能夠作為自走式游泳者。

花托有兩種類型的表面涂層。在碳纖維狀TEM網(wǎng)格上“釉面”的Janus圓環(huán)的高分辨率透射電子顯微鏡（STEM）圖像。金屬帽已套在花托的頂部。比例尺為3μm。b在碳TEM網(wǎng)格上的“浸入式” Janus花托的SEM圖像。圓環(huán)的底部在底部被“切除”，以在印刷和金屬蒸發(fā)過程中提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。比例尺為2.25μm。c表示推進速度對過氧化氫濃度的依賴性的圖表。紅色和橙色水平條分別是在0％H2O2上在金基底上的上釉速度和浸入托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進速度。綠色和黃色正方形分別是在5％H2O2上在金基底上的上釉速度和浸入托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進速度。深綠色鉆石是玻璃托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）在10％H2O2下在玻璃襯底上的推進速度；相對而言，水鉆是在20％的H2O2下浸在金基底上的托里（含40 nm Ni和10 nm Pt）的推進速度。紫色和深藍色三角形分別是在15％H2O2上在金基質(zhì)上的上釉速度（Ni含量為40 nm，Pt為10 nm）和浸入托里（Ni含量為10 nm，Pt為10 nm）的推進速度。洋紅色，石灰和冰藍色圓圈是3μm的直徑艷麗的玻璃托里，7μm的玻璃托里和7μm的浸漬托里在30％H2O2下的推進速度。這三個托里涂層具有40 nm的Ni和10 nm的Pt。完整的圖例可在補充圖3和補充說明2中找到。誤差線表示該特定樣品的唯一標準偏差。

研究人員說：“細菌系統(tǒng)表現(xiàn)出各種各樣的復(fù)雜行為，包括在化學(xué)梯度存在下的自發(fā)排列和流體的流變特性的改變�！� “將這些復(fù)雜的行為轉(zhuǎn)換為人工系統(tǒng)對于流體輸送，小規(guī)�；旌虾湍繕素浳镞\輸中的應(yīng)用特別有吸引力，但由于固有的納米加工限制，很難實現(xiàn)。”

迄今為止，許多最簡單的構(gòu)造都被證明在游泳和其他行為方面不如－顯然，在使這類微粒成為科學(xué)家的功能性現(xiàn)實之前，必須取得更大的進步。在這個項目中，研究人員創(chuàng)造了由磁場操縱的游泳花托。這些構(gòu)造物能夠運輸以下物質(zhì)：

• 其他人工游泳者
• 雙金屬納米棒
• 被動膠體粒子
  

他們創(chuàng)建了一個獨立于水動力和推進機制的模型，“以解決在邊界附近游泳的微型鳥的新出現(xiàn)的現(xiàn)象”，并指出了游泳所需的元素-自感應(yīng)滑過表面的速度和靜電勢。這使得該團隊可以繼續(xù)嘗試其他機制，并獲得與其他生物相容性系統(tǒng)（如固定的酶和光）相關(guān)的發(fā)現(xiàn)。

游泳軌跡。提取并重新定心的軌跡，用于線性平移浸蘸和釉面的Janus tori。b在增加的磁場中垂直定向的托里的軌跡。軌跡從擺線連續(xù)變?yōu)榫�性。藍色軌跡為0.8 G；綠色軌跡為0.9 G；和紅色軌跡為1.0 G

研究人員使用雙光子光刻技術(shù)3D打印了可編程結(jié)構(gòu)，其托里既化學(xué)驅(qū)動，又充滿納米級特征。研究團隊在論文中解釋說，托里釉要么是釉面的，要么是賈努斯的，要么是斑塊的。

“在存在過氧化氫的情況下，由于自電泳推進作用，花托瞬間開始在表面上方盤旋。由于電荷的不穩(wěn)定性，即由自電泳產(chǎn)生的移動表面電荷，托里爾自然地破壞了對稱性并傾斜到一個穩(wěn)定的角度。然后，花托滑過表面；最終組織成在三個維度上暢游的動態(tài)集群�！弊髡呓忉屨f。

“增加更復(fù)雜的外部場和化學(xué)梯度可用于間接和直接指導(dǎo)自主游泳者。然后可以將花托定向到將活的貨物（例如細胞）運送到特定位置進行細胞治療；或共同組織花托來指導(dǎo)其流動以進行細胞運輸和分類�！�

3D打印與一系列引人入勝的科研項目相關(guān)，包括納米級和微米級的輸送系統(tǒng)，無論是使用親水性基質(zhì)，微型儲液器甚至是精子機器人。

集體狀態(tài)a–b水平方向和垂直方向的Janus tori群集的圖像。水平定向的Janus粒子形成動態(tài)，不穩(wěn)定的簇。垂直定向的二聚體在三個維度上運動。c群集的活動斑點（浸入）花托的圖像。聚合物是透明的，金屬斑塊以白色明亮地反射。浸入的花托附著在催化帽附近的顆粒上。所有比例尺均為6.5μm。

通過游泳花托積極進行貨物運輸。a時光倒流，顯示了游泳的雙金屬納米棒與微托的水力和電動力連接。比例尺為7μm。b延時拍攝，顯示直徑為3μm的圓托運輸了許多雙金屬納米棒。比例尺為2.5μm。c一張卡通圖，顯示了鏡筒相對于表面附近的雙金屬納米棒的垂直方向。在附近時，雙金屬納米棒沿著微觀花托的自生流體流線排列。比例尺為2.5μm