化學(xué)與材料學(xué)院王吉壯/李丹團(tuán)隊(duì)Adv. Mater.：可編程結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)硅基微納機(jī)器人
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院王吉壯/李丹團(tuán)隊(duì)提出了一種可編程結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)硅基微納機(jī)器人構(gòu)筑策略，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌的特異性捕獲。相關(guān)研究成果以“Geometry-Programmable Light-Driven Silicon Microrobots”為題，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.202522384）。
論文封面
光驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人憑借可編程操控與高效驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，已成為領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光作為可調(diào)制信號(hào)源，可對(duì)入射方向、強(qiáng)度、波長(zhǎng)及偏振等參數(shù)進(jìn)行多維度調(diào)控，為微納機(jī)器人的精準(zhǔn)操控與復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行提供了可行方案。該驅(qū)動(dòng)模式具備優(yōu)異的靈活性與可編程性，使微納機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
硅基材料兼具優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能、良好的生物相容性與可設(shè)計(jì)性，其獨(dú)特的光電化學(xué)驅(qū)動(dòng)特性與清晰的能量轉(zhuǎn)化路徑，為光驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究與應(yīng)用拓展提供了重要支撐。然而，受限于傳統(tǒng)制備方法，硅基微納機(jī)器人多局限于一維納米棒等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)易化、通用化的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑仍是亟待突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，根據(jù)功能需求實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的靈活構(gòu)建，并發(fā)展簡(jiǎn)便通用的設(shè)計(jì)制備策略，對(duì)推動(dòng)該體系的理論研究與實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）的通用可擴(kuò)展制備策略，成功構(gòu)筑出可編程結(jié)構(gòu)的多維硅基微機(jī)器人，顯著拓展了其設(shè)計(jì)空間。在可見(jiàn)光及近紅外激發(fā)下，該類(lèi)硅基微機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高效自主推進(jìn)，并通過(guò)引入磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了控制精度。此外，通過(guò)在微機(jī)器人表面功能化修飾噬菌體，使其具備對(duì)目標(biāo)細(xì)菌的特異性捕獲能力。該研究實(shí)現(xiàn)了硅基微納機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可編程、多模態(tài)驅(qū)動(dòng)與表面功能化的集成，為光驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人在精準(zhǔn)醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)及微納制造等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。
可編程結(jié)構(gòu)的光驅(qū)動(dòng)硅基微機(jī)器人的構(gòu)筑，并用于靶向細(xì)菌捕獲
如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)利用PECVD技術(shù)在各類(lèi)模板結(jié)構(gòu)上沉積非晶硅（a-Si）薄膜，構(gòu)建出一系列結(jié)構(gòu)可編程的硅基微機(jī)器人，包括0D球形結(jié)構(gòu)、1D納米棒結(jié)構(gòu)、2D圖案結(jié)構(gòu)以及3D納米樹(shù)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在微機(jī)器人表面進(jìn)一步修飾噬菌體，使其具備對(duì)特定細(xì)菌的識(shí)別能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)菌的主動(dòng)捕獲。以球形結(jié)構(gòu)為模板，通過(guò)PECVD沉積形成Si殼層，并在其表面沉積金納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建Si/Au結(jié)，從而形成具有Janus結(jié)構(gòu)的0D微機(jī)器人。在光照條件下，由于光電化學(xué)反應(yīng)，在微機(jī)器人周?chē)纬呻x子濃度梯度，基于自擴(kuò)散泳的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使微機(jī)器人能夠在光照下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)動(dòng)。
結(jié)合光刻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可定制化的二維模板結(jié)構(gòu)制備，再通過(guò)PECVD沉積硅殼層，研究人員成功構(gòu)筑出多種二維結(jié)構(gòu)的微機(jī)器人。在可見(jiàn)光照射下，該類(lèi)微機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)，并可通過(guò)光照的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)啟停控制，運(yùn)動(dòng)速度亦可隨光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。同時(shí)，借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入幾何不對(duì)稱(chēng)性，可對(duì)其運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行調(diào)控，使其呈現(xiàn)定向行進(jìn)、旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)模式。進(jìn)一步引入磁性結(jié)構(gòu)后，在外磁場(chǎng)作用下微機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)軌跡的精確操控，例如可書(shū)寫(xiě)出“Motor”字樣軌跡。
二維微機(jī)器人的設(shè)計(jì)及可見(jiàn)光激發(fā)下的運(yùn)動(dòng)行為
通過(guò)在微機(jī)器人表面修飾T4噬菌體，利用其尾絲蛋白（如gp37）與大腸桿菌脂多糖（LPS）的特異性相互作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)菌的精準(zhǔn)識(shí)別。當(dāng)微機(jī)器人在光驅(qū)動(dòng)下靠近目標(biāo)細(xì)菌時(shí)，表面修飾的噬菌體能夠與細(xì)菌特異性結(jié)合，從而完成高效捕獲。在外加磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，微機(jī)器人可攜帶捕獲的細(xì)菌定向移動(dòng)，展現(xiàn)出良好的靶向捕獲與運(yùn)輸潛力。
微機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌的特異性捕獲
該研究提出了一種簡(jiǎn)單、通用的可編程結(jié)構(gòu)的硅基微機(jī)器人制備策略，成功構(gòu)建了覆蓋0D至3D的多維結(jié)構(gòu)光驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人體系，并實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)、磁操控與生物功能化的一體化集成。通過(guò)引入噬菌體功能化修飾，該系統(tǒng)進(jìn)一步獲得了對(duì)目標(biāo)細(xì)菌的特異性識(shí)別與捕獲能力，為微納機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。未來(lái)，隨著微納制造技術(shù)與智能控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，此類(lèi)結(jié)構(gòu)可編程的光驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人有望在精準(zhǔn)治療、微納操控及復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
論文第一作者為暨南大學(xué)碩士生劉坤鳳，通訊作者為暨南大學(xué)王吉壯副教授和李丹教授，香港大學(xué)的唐晉堯教授團(tuán)隊(duì)也參與研究。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目和暨南大學(xué)等的大力支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202522384
責(zé)編：周會(huì)謙