液态金属作为一类性能优异的智能软材料,既可被外部场,比如电场、磁场、化学场等驱动,同时也可以进行自驱动运动。因为液态金属可被灵活驱动的优点,在微纳米机器人领域有着自己独到的优势。
向自然学习,发展液态金属类生物行为十分必要。这里可以充分利用液态金属巨大的表面张力,不断发展、深化、拓展现有的液态金属驱动效应,以实现对微纳米液态金属更为灵活的驱动。总之,实现液态金属基微纳米机器是科学且大有可为的。并且微纳米机器尺度小,用量少,对于不可再生的液态金属的利用极为有利。
(1)电驱动微纳米马达
电驱动微纳米马达与日常生活中的宏观电动机并不相同,电驱动微纳米马达是在溶液体系中通过直流或者交流电场来精确操控微纳米颗粒的技术。电驱动方式具有精度高等特性,在靶向药物运输和组装微纳米结构方面有潜在应用价值。但是电化学分解水驱动马达也面临着一些问题:例如目前马达的尺寸是毫米级别,要实现更小装置的驱动,就必须增加电场的强度,这将极大地限制此驱动方式的发展,其次,高电场可能导致溶液中的其他物质的电解反应,限制了其在生物方面的应用。同时,电驱动方式大多在溶液体系和在二维平面中,需要进行更多的研究来实现在复杂的生物体系中的运动。
(2)光驱动微纳米马达
光驱微纳米马达通常被分为光束梯度力驱动(即光镊),光热驱动和光催化分解驱动三种驱动方式。随着近年来光驱动的发展,这种精确控制微纳米马达的方式在下一代生物医学方面(靶向货物运输和药物递送)有巨大的应用前景。
光镊是使用强聚焦光束来精确地捕获和操纵微纳米颗粒的科学仪器装置。光摄操控由于其超高精度和可控快捷的优势,在未来的药物靶向运输、细胞级的DNA治疗、纳米级的颗粒运输等方面有重大应用价值。
光驱动微纳米马达由于其超高的精度控制,已经成为驱动微纳米粒子的常用方式,并已经实现了在生物方面的应用。但是光驱动也面临着一些挑战,例如由光摄操纵的微纳米颗粒大多是电介质的颗粒,并且由于聚焦激光束的高强度,在光阱处存在严重的局部加热问题。此外,光推进机制需要一定程度的透明度,使其在活体内驱动颗粒面临挑战。
(3)磁驱动微纳米马达
驱动人工微纳米马达受原核和真核微生物的运动性启发,由于其生物相容性好和对细胞和组织无害的能量转导机制,已经成为外场驱动微纳米马达的重要途径,并广泛应用在生物医学领域中(例如微创手术、细胞操作和分析和靶向治疗)。基于驱动机制和马达的微纳米结构,磁驱纳米马达主要分为三种驱动方式,其中包括表面助行磁微纳米马达、柔性磁驱微纳米马达和螺旋磁驱微纳米马达。
磁驱动机制是目前广泛使用的无燃料驱动微纳米马达的方法。许多工作致力于改进磁性微纳米马达的制造方法。虽然仍有大量的改进空间,但科学家已经开始利用磁驱动微纳米马达应用在一些初步的生物实验中,包括精确靶向药物/基因递送、细胞运输、微创手术和其体内操作。
(4)超声驱动微纳米马达
超声具有能量高、易控制、生物相容性好等特点,为微纳米马达实现在高黏度和高离子强度的生物介质中的运动提供了新的途径。(www.xing528.com)
(5)双驱微纳米马达
微纳米可以被多种驱动方式同时驱动,对于其在复杂体系中的运动有着重要意义。例如,微纳米马达在其中一种燃料不可用的情况下,仍可以通过另外一种驱动方式继续运动,这可以大大扩展人造纳米马达在复杂环境中运动的应用范围,并且更加有助于理解自然中微观或者宏观马达复杂的运动机制。实现纳米马达的混合驱动需要对单个纳米结构进行多组件器件的设计和制造以集成多功能。
(6)外场驱动微纳米马达的应用
可控的聚集和组装:聚集现象在宏观自然界中是一种常见的现象,比如蜜蜂、蚂蚁和鸟类的聚集现象。这种聚集运动现象在微观界面中也被观察到,表现为微纳米颗粒或者细胞的团聚、颗粒之间的相互吸引和排斥等。声、电、光、磁等外场都被成功用于微纳米颗粒/细胞的聚集和组装,以协同完成更加复杂的任务。
微纳米加工:常见的制造微纳米结构的方法包括物理/化学气相沉积技术、电沉积技术、光刻掩膜版技术等,通常需要固定的模板和大型昂贵的器械设备。相对于上述方法,微纳米马达提供了一个更加有吸引力的方法来制备微纳米结构。
货物运输:货物运输是微纳米马达最重要的应用之一。
靶向药物运输:外场驱动微纳米马达为药物的靶向运输提供了一种高效、低毒性、低廉和方便的方式,在生理健康方面有潜在的应用价值。外场驱动微纳米马达的四种方法中(声、电、光、磁),其中超声波和磁场提供了一种更加方便可行和生物相容性好的方式,可以将药物准确运输到肿瘤细胞处并杀死癌细胞。
靶向基因/蛋白质运输:蛋白质或者基因的治疗是将蛋白质和基因靶向运输到相应疾病部位达到治疗细胞或者组织的作用。外场驱动提供了一种相对便宜和生物相容性好的方式去完成蛋白质或者基因的治疗。
细胞操控:目前已实现的有使用超声波驱动的Au-Ni-Au纳米线马达实现对细菌和细胞的运输、利用磁驱动纳米线马达选择性捕获和操纵单个大肠杆苗细菌以及单个人类免疫缺陷病毒(HIV)颗粒的光学操作等。
去毒素:由于较高的机动性以及本身的无毒性在提高去毒性效率方面表现出极大的优势。
纳米手术:微纳米马达科技在纳米精准手术方面有一定的潜在应用价值。在外场的驱动下,纳米手术可能成为一个快速和可靠的用于生物微创手术的工具。
目前,典型的外场驱动微纳米马达的主要驱动方式有电驱动、光驱动、磁驱动、超声驱动、双驱动等。液态金属同样具有可被外场驱动的特性,虽然这里介绍的主要是分子马达,但这些驱动类型和应用领域可以给液态金属小马达的进一步研究提供灵感和思路,尤其是在已经有较为深入研究的生物医疗领域,药物的靶向运输和手术中液态金属的应用仍有非常广阔的应用前景。
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