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机械系郑裕基助理教授在APL Materials刊物共同发表题为“生物模板法制备的带鞭毛纳米游泳机器人”最新研究成果

        近日,南方科技大学机械与能源工程系助理教授郑裕基(U Kei Cheang)在国外著名杂志《APL Materials》上共同发表了题为“生物模板法制备的带鞭毛纳米游泳机器人”(Biotemplated flagellar nanoswimmers)的一文。合作者是南卫理公会大学(Southern Methodist University)莱尔工程学院,机械工程系教授Min Jun Kim。
        还记得那个提出过“机器人三定律”的美国著名科幻小说家艾萨克·阿西莫夫吗?他曾写过一本名为《神奇的旅程》(《Fantastic Voyage》) 的科幻小说,而由其改编而成的1966年同名科幻电影是世界上第一部利用微缩科技拍摄人体内部的科幻片。虽然六十年代的电影特技不见得有多酷炫,但这却如实地反映出,即便是在没有微纳技术的当时,人们就已经对微纳技术应用于医治人体产生了无限的憧憬。

 poster, 1966, directed by Richard Fleischer and written by Harry Kleiner.

        而如今,往日看来“最离谱”的科学幻想却逐渐变成现实。科学家们正在努力研发微米或纳米尺度的微型医用机器人,这种机器人可以利用磁场驱动,使得其能在人体内自由运动,互相通讯,执行任务,就像科幻片提到的一样。科学家们在近十年来通过不懈努力获得的这些技术,如今正带领人类走向新的医疗与疾病诊断方式,并且有望攻克肿瘤与癌症。
       然而一个非常重要的问题摆在了科学家的面前:该如何寻找一种廉价的方法来制造这些微型医用机器人的推进系统?来自南方科技大学、美国德雷塞尔大学、美国南卫理公会大学的研究人员组成了一个纳米工程团队,并通过使用细菌鞭毛作为二氧化硅的模板,证明了人们能够使用一种更简单的方法来制造纳米级游泳机器人的推进系统。
      
我们发现许多细菌都有螺旋状的鞭毛,而二氧化硅在自然界中广泛存在。因此这种将二氧化硅镀到鞭毛上的新技术,取代了往常依靠高精度的设备和精密制造技术才能制造出微纳机器人的方法,使得廉价地生产出纳米游泳机器人成为了可能。

 生物模板法制备鞭毛纳米游泳机器人的流程 (CREDIT: Jamel Ali)

       研究团队制备出来的这种纳米游泳机器人能够通过旋转的磁场来驱动鞭毛的运动,而这些微型机器人的运动能力几乎和活细菌一样好。南卫理公会大学莱尔工程学院(Lyle School of Engineering at Southern Methodist University )的机械工程教授Min Jun Kim说:“我们首次证明了利用细菌鞭毛作为模板来构建无机材料螺旋结构的能力,这是一个颇具变革性的想法,对医学和其他领域都会产生巨大的影响。”
     
与较大尺度的流体运动相比,纳米游泳机器人的游动很大程度上受到雷诺数这一流体力学参数的影响,一个与流体速度、粘度和流体中物体大小相关的无量参数。当雷诺数非常低的时候,流体流动中惯性力的作用所占的比重很小,粘性效应占的比重很大,细菌就必须在几乎没有惯性力的情况下通过非往复式运动(nonreciprocal motion)前行,否则细菌游动了一个周期后还是会待在原地。使用这种称为鞭毛蛋白的蛋白质制成的螺旋状尾巴,细菌就能更加容易地驾驭这些微观运动条件,从而到达更远的地方。

 硅模板制备的细菌在比例尺为1 μm的透射电镜下的图片(CREDIT: Jamel Ali) 

       Kim表示:“如果我们缩小到一个细菌的大小,我们就没有办法像青蛙一样在水中做蛙泳了。 “而如果细菌像我们那么大,(靠鞭毛产生的不可逆游动方式)他们可以在大约两秒内游完100米。”
      世界上其他研究团队普遍采用复杂的方法来构建这些螺旋结构,例如激光加工等,而这些方法导致构建纳米机器人的成本非常高。相反地,Kim的团队采用更简单的方法。他们首先培养鼠伤寒沙门氏菌株并去除其鞭毛。然后,他们用碱性溶液将鞭毛固定成所需的形状和合适的间距,然后用二氧化硅将蛋白质铺平。之后磁性材料镍沉积在二氧化硅模板上,使其能够受到磁场的控制。
“螺旋型的微纳机器人其实很常见,但我们的研究提供了一种价格更低但产量更高的制备方法。“我系郑裕基助理教授说。
       当纳米游泳机器人暴露在旋转的磁场中时,机器人会与细菌有相似的运动速度,预计能在1秒钟内可以游动22微米——超过纳米机器人自身长度的四倍。除此之外,这些纳米游泳机器人还能被控制沿着 “8”字路线游动。

 模板制备的鞭毛硅纳米游泳机器人在人工控制下,沿着数字8的轨迹进行运动(比例尺为 μm). CREDIT: Jamel Ali

      对于微型机器人未来的应用,郑裕基助理教授如此说到:“我们相信有一天,微型机器人可以被用于医学领域,定点治疗身体内患病区域。它们在不同的生物体环境中运作,比如说血流中,又比如说肿瘤所处的微环境中,进而高效地完成治疗工作。”

郑裕基助理教授



APL Materials 是国外著名物理期刊Applied Physics Letters的子刊物,由美国物理协会出版发行,重点针对材料领域的研究。其审稿严格,中稿率低,年发文量少,仅为150余篇,最新影响因子为4.335。
 

供稿:郑裕基助理教授课题组  谢济宇,石向成



AIP出版社新闻报道链接:https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/going-swimmingly-biotemplates-breakthrough-paves-way-cheaper-nanobots  < Going Swimmingly: Biotemplates Breakthrough Paves Way for Cheaper Nanobots>

论文链接:http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5001777