学术进展基于微流控方法制备具有精准递送功能的柔性微抓手

引言

本期学术进展为大家带来微流控与新材料研究组博士研究生耿宇昊发表在Lab on a Chip期刊中，关于具有精准递送功能的柔性微抓手的研究。

本期文章被选为Lab on a Chip 第18期内页封面

Yu-Hao Geng, Xue-hui Ge, Shao-Bin Zhang, Yi-Wei Zhou, Zhi-Qi Wang, Jian Chen and Jian-Hong Xu

近年来，具有自驱动或外场驱动性能的微纳尺度机器人吸引了越来越多研究者的关注。这类机器人由于具有体积微小，精确可控且操作灵活等性能，可以被应用于生物医学领域，来达到现有医学技术中难以触及的人体位点。微纳尺度机器人一般的驱动方式可分为化学反应自驱动、磁场驱动、电场驱动、光驱动和超声驱动等等，但不管是哪种驱动方式，都需要被驱动颗粒具有各向异性的性质，才能实现定向精准的驱动。

本研究所实现的柔性微抓手由三个必要的结构组成：Janus颗粒所特有的各向异性结构、对磁场有响应的Fe3O4纳米颗粒，以及温敏性的PNIPAM（聚-异丙基丙烯酰胺）水凝胶。

首先是气液Janus主体。通过图1所示的同轴环管通道制备出具有可脱除气泡模板的气液Janus，在水溶液液相中含有直径为25nm的Fe3O4纳米颗粒。气相与水相经过油相剪切后，可以形成水包气结构的液滴，在承接管中流动时，由于界面张力的作用，气泡会逐渐脱出并与水相形成Janus液滴的稳定结构。Janus颗粒作为一种非对称性颗粒，在颗粒的两极具有不同的组成和性质。这种结构和性质可以赋予Janus颗粒定向驱动及其他各向同性材料所不具有的功能。

图1  微抓手制备示意图

第二部分是具有磁性的四氧化三铁纳米颗粒。在后续的固化过程中，在培养皿下放置磁铁，让磁性纳米颗粒聚集到气泡的对称位置。之所以要让纳米颗粒从分散状态再团聚成一簇，就是为了让微抓手在磁场引导下，由于各部位磁性不同，微抓手可以具备在磁场中转向的功能。

第三部分要介绍具有温敏性质的PNIPAM水凝胶。NIPAM单体溶液通过紫外光引发凝胶聚合成PNIPAM，在聚合之后气泡脱除，一个具有温敏性质的柔性微抓手就制备成功了。PNIPAM作为一种热缩型高分子材料，在环境温度高于约32℃的相转变温度时，凝胶的疏水性基团会将凝胶内的水排出，从而减小凝胶体积。这样气体模板所形成的凹坑的尺寸也会随之减小，从而体现凹坑的“抓手”功能。

图2 微抓手的结构示意图与实物图

从图2可以发现微抓手的主体为透明凝胶，在气泡模板所形成的凹坑的对称位置为磁性纳米颗粒团簇。本研究还通过调控不同相之间的界面张力与流量比，得到了具有不同凹坑大小的微抓手，从而可以实现对尺寸在200-500微米之间的货物的捕捉与释放。

图3  微抓手在磁场的作用下定向运动的轨迹

图4 微抓手对货物进行精准递送

当抓手-货物复合体到达靶向位点之后，通过降低环境温度，微抓手会因为吸水膨胀而放开货物，从而完成递送的整个流程。

实验证明，在磁场的驱动下，微抓手负载货物时的运动速度可以达到1.5mm/s。且由于PNIPAM的稳定性，微抓手在水相环境中可以储存数月之久，并且能够重复多次使用。有文献表明，PNIPAM不仅仅具有温度响应性，而且可以对环境pH值的变化作出相应的响应。所以我们有望开发出温度-pH复合响应型微抓手，来拓宽柔性微抓手的应用领域。