3D打印功能微传送系统——游泳Microtori

3D打印快讯
2020
02/14
10:57
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来源:增材之光

在最近发表的“ 形状编程的3D打印游泳微托中,用于运输被动和主动药剂 ”中,国际研究人员探索了模仿微生物“独特的游泳行为”所面临的挑战(出于微细加工的目的)。然而,利用纳米级的3D打印,他们已经能够设计出用于运送生物物质的微观花托。

活性物质系统已成为研究人员研究的热点,但要使其发挥功能,它们必须能够适应其环境,必须具有复杂的行为并能够作为自走式游泳者。

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花托有两种类型的表面涂层。在碳纤维状TEM网格上“釉面”的Janus圆环的高分辨率透射电子显微镜(STEM)图像。金属帽已套在花托的顶部。比例尺为3μm。b在碳TEM网格上的“浸入式” Janus花托的SEM图像。圆环的底部在底部被“切除”,以在印刷和金属蒸发过程中提供稳定的基础。比例尺为2.25μm。c表示推进速度对过氧化氢浓度的依赖性的图表。红色和橙色水平条分别是在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)的推进速度。绿色和黄色正方形分别是在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)的推进速度。深绿色钻石是玻璃托里(含40 nm Ni和10 nm Pt)在10%H2O2下在玻璃衬底上的推进速度;相对而言,水钻是在20%的H2O2下浸在金基底上的托里(含40 nm Ni和10 nm Pt)的推进速度。紫色和深蓝色三角形分别是在15%H2O2上在金基质上的上釉速度(Ni含量为40 nm,Pt为10 nm)和浸入托里(Ni含量为10 nm,Pt为10 nm)的推进速度。洋红色,石灰和冰蓝色圆圈是3μm的直径艳丽的玻璃托里,7μm的玻璃托里和7μm的浸渍托里在30%H2O2下的推进速度。这三个托里涂层具有40 nm的Ni和10 nm的Pt。完整的图例可在补充图3和补充说明2中找到。误差线表示该特定样品的唯一标准偏差。

研究人员说:“细菌系统表现出各种各样的复杂行为,包括在化学梯度存在下的自发排列和流体的流变特性的改变。” “将这些复杂的行为转换为人工系统对于流体输送,小规模混合和目标货物运输中的应用特别有吸引力,但由于固有的纳米加工限制,很难实现。”

迄今为止,许多最简单的构造都被证明在游泳和其他行为方面不如-显然,在使这类微粒成为科学家的功能性现实之前,必须取得更大的进步。在这个项目中,研究人员创造了由磁场操纵的游泳花托。这些构造物能够运输以下物质:
  • 其他人工游泳者
  • 双金属纳米棒
  • 被动胶体粒子


他们创建了一个独立于水动力和推进机制的模型,“以解决在边界附近游泳的微型鸟的新出现的现象”,并指出了游泳所需的元素-自感应滑过表面的速度和静电势。这使得该团队可以继续尝试其他机制,并获得与其他生物相容性系统(如固定的酶和光)相关的发现。

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游泳轨迹。提取并重新定心的轨迹,用于线性平移浸蘸和釉面的Janus tori。b在增加的磁场中垂直定向的托里的轨迹。轨迹从摆线连续变为线性。蓝色轨迹为0.8 G;绿色轨迹为0.9 G;和红色轨迹为1.0 G

研究人员使用双光子光刻技术3D打印了可编程结构,其托里既化学驱动,又充满纳米级特征。研究团队在论文中解释说,托里釉要么是釉面的,要么是贾努斯的,要么是斑块的。

“在存在过氧化氢的情况下,由于自电泳推进作用,花托瞬间开始在表面上方盘旋。由于电荷的不稳定性,即由自电泳产生的移动表面电荷,托里尔自然地破坏了对称性并倾斜到一个稳定的角度。然后,花托滑过表面;最终组织成在三个维度上畅游的动态集群。”作者解释说。

“增加更复杂的外部场和化学梯度可用于间接和直接指导自主游泳者。然后可以将花托定向到将活的货物(例如细胞)运送到特定位置进行细胞治疗;或共同组织花托来指导其流动以进行细胞运输和分类。”

3D打印与一系列引人入胜的科研项目相关,包括纳米级和微米级的输送系统,无论是使用亲水性基质,微型储液器甚至是精子机器人。

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集体状态a–b水平方向和垂直方向的Janus tori群集的图像。水平定向的Janus粒子形成动态,不稳定的簇。垂直定向的二聚体在三个维度上运动。c群集的活动斑点(浸入)花托的图像。聚合物是透明的,金属斑块以白色明亮地反射。浸入的花托附着在催化帽附近的颗粒上。所有比例尺均为6.5μm。

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通过游泳花托积极进行货物运输。a时光倒流,显示了游泳的双金属纳米棒与微托的水力和电动力连接。比例尺为7μm。b延时拍摄,显示直径为3μm的圆托运输了许多双金属纳米棒。比例尺为2.5μm。c一张卡通图,显示了镜筒相对于表面附近的双金属纳米棒的垂直方向。在附近时,双金属纳米棒沿着微观花托的自生流体流线排列。比例尺为2.5μm

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