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  截止目前， 基于Janus結(jié)構(gòu)的微、納馬達(dá)已被提出可應(yīng)用于如水環(huán)境修復(fù)、藥物運輸和生物傳感等領(lǐng)域。盡管科學(xué)家們已經(jīng)在開發(fā)微馬達(dá)上投入了大量精力，并且有了多種微馬達(dá)制作策略，但是在制作過程中，仍然存在很多問題，例如昂貴的成本，較低的產(chǎn)率和不可避免使用的一些有機(jī)溶劑、化學(xué)交聯(lián)劑、表面活性劑、紫外線照射和細(xì)胞毒性試劑等。因此，這些微馬達(dá)在生物醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定的限制。如何制造出一種具有高生物相容性且可控的微馬達(dá)是一項重要挑戰(zhàn)。

  針對這些挑戰(zhàn)，黃超伯教授課題組和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授團(tuán)隊提出利用一種簡單且高通量的氣體剪切方法來制備微馬達(dá)。通過該方法制備的多面微球微馬達(dá)具有高度的調(diào)節(jié)性、很好的生物相容性和完成復(fù)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(dá)在生物醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域體現(xiàn)出了巨大的潛力。具體來說，該研究使用了自制的噴頭裝置（SED）, 結(jié)合氣體剪切的策略，制備出多達(dá)8面異性的微球結(jié)構(gòu)（圖1a）�？紤]到生物相容性的問題，在制備過程中僅使用了美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)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(qū)動力來源于外部磁場和過氧化氫酶介導(dǎo)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(chǎn)生可控的運動，從而形成雙動力微馬達(dá)。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(shè)計的各種軌跡的運動，如旋轉(zhuǎn)運動、直線運動、曲線運動和圓周運動等（圖1b），體現(xiàn)了該方法制備微馬達(dá)具有的高度的靈活性和可控性。

圖1 雙動力微球馬達(dá)制備和運動軌跡示意圖。

圖2 氣體輔助方法制備微球的高度可控性展示。

  為了證明雙驅(qū)動的可行性，首先制備了Janus微球并進(jìn)行磁力驅(qū)動以及磁力和酶雙驅(qū)動的驗證，結(jié)果如圖3所示，微球可以輕松實現(xiàn)單驅(qū)動和雙驅(qū)動。接下來，該工作以8面微球為例，制備了磁性顆�？臻g和非磁性顆�？臻g交替的8面異向微球微馬達(dá)，通過設(shè)計微球空間的結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了微馬達(dá)的各種軌跡運動（圖4）。在之后的研究中，為了實現(xiàn)更復(fù)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，由于產(chǎn)生氣泡速率不同，各個面受到的驅(qū)動力也產(chǎn)生區(qū)別，而這些梯度力使得微球不斷地實現(xiàn)復(fù)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(jìn)行重復(fù)圓周運動。

  綜上所述，該雙動力微球微馬達(dá)具有很好的可控性。在之前的工作中他們已經(jīng)證明所制備的微球具有較好的生物相容性。同時，該方法具有極高的制備通量，在20秒時間內(nèi)可制備約2000個微球，這使得所制備的微馬達(dá)的實際應(yīng)用成為可能。這些優(yōu)異的性能表明，基于氣體輔助策略制備的可控微馬達(dá)可以在環(huán)境修復(fù)、藥物運輸?shù)确矫嫫鸬街匾饔�。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(dá)開拓更大的應(yīng)用前景。

  相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal（IF: 10.652）上。論文的第一作者為南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生唐國勝，其他作者為南京林業(yè)大學(xué)本科生陳龍、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院連黎明、南京林業(yè)大學(xué)李芳華、 哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生Hossein Ravanbakhsh、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后王冕。通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授和南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院黃超伯教授。

  該工作是黃超伯教授課題組的第三篇關(guān)于多面異向微球的系列工作。當(dāng)前，多面異向微球在生物醫(yī)學(xué)工程和材料科學(xué)中受到廣泛關(guān)注。由于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(xì)胞共培養(yǎng)、微驅(qū)動、多靶點檢測等領(lǐng)域有很多重要的應(yīng)用。然而，由于以往制備技術(shù)的限制，導(dǎo)致微球缺乏優(yōu)良的生物可相容性�；诖耍撜n題組首次提出了一步無油氣體輔助策略制備多面異向微球。微球尺寸可以控制在數(shù)十到數(shù)百微米之間，具有很好的單分散性且產(chǎn)量極高。通過改變同軸微針頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以輕松地制備得到2-10面異向微球，并精確控制每個腔室的性質(zhì)。前兩篇工作分別發(fā)表在Advanced Science和Small上，該方法已經(jīng)被證明可應(yīng)用于多細(xì)胞共培養(yǎng)、藥物防偽和自驅(qū)動等領(lǐng)域。在生物醫(yī)藥和材料科學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

  論文鏈接:

  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(yè)大學(xué)在讀博士、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士。博士期間，首次提出了新型氣體輔助策略制備多面異向微球并探索其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。在哈佛醫(yī)學(xué)院的主要研究方向為3D生物打印和器官芯片等。截止目前，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文28篇。其中SCI收錄論文15篇，第一作者論文7篇，引用650余次，單篇最高被引用200余次，H因子8，累計影響因子超過110，單篇最高影響因子為15.84，影響因子大于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(quán)發(fā)明專利13項。相關(guān)成果得到了包括《科技日報》、《江蘇科技報》、《南京日報》等重點報道。

  黃超伯教授現(xiàn)任南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副院長，博士生導(dǎo)師，2013年入選第四批“江蘇特聘教授”并全職回國，2011年比利時根特大學(xué)（Ghent University, Belgium）獲藥學(xué)博士學(xué)位，2011-2013年在瑞士聯(lián)邦理工（洛桑）（EPFL, Switzerland）從事博士后研究工作。目前主要從事生物質(zhì)高分子功能材料的制備及其應(yīng)用研究，以微流體及靜電紡絲技術(shù)為主要制備手段，在多學(xué)科交叉融合的基礎(chǔ)上，從分子水平作用機(jī)理出發(fā)，揭示木質(zhì)纖維素基納米材料多維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、分級形貌調(diào)控和智能響應(yīng)等作用機(jī)理，并以此為支撐，開展木質(zhì)纖維素材料的高值化利用基礎(chǔ)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(fā)表SCI論文60余篇，被他人引用2300余次，累計影響因子超400，影響因子大于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(quán)發(fā)明專利13項，出版英文專著兩部。先后主持國家重點研發(fā)計劃子課題，國家自然科學(xué)基金面上項目和應(yīng)急基金項目等 8 項科研項目。課題組網(wǎng)頁：https://www.x-mol.com/groups/huangchaobo

  Yu Shrike Zhang教授為美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物醫(yī)學(xué)工程系取得博士學(xué)位。研究領(lǐng)域包括生物打印及器官芯片的平臺搭建與應(yīng)用研究，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表研究論文及綜述200余篇，H因子58，被引用12000余次，包括以第一或通訊作者發(fā)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》等報道。擔(dān)任十余本雜志的主編、副主編和編委等，曾獲得多種國際和地區(qū)性獎項40余項。課題組網(wǎng)頁：https://shrikezhang.com/