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我系助理教授胡程志博士在《ACS Nano》发表微纳米机器人集群控制领域最新研究成果

     近期,南方科技大学机械与能源工程系助理教授胡程志博士在苏黎世联邦理工学院Bradley Nelson研究组里领导的磁性螺旋形微机器人集群控制研究最近获较大进展。相关成果发表在著名的纳米类期刊ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.8b02907)。
 
     磁性微纳米机器人是可以通过远程控制的小型化器件,能够通过旋转磁场、振荡磁场或梯度磁场在液体中实现三维游动。由于其游动特性与利用鞭毛游动的细菌等微生物相似,因此螺旋形微纳米机器人也常被称作人工细菌鞭毛机器人(Artificial Bacterial Flagella)。这些小尺寸器件已被用于在多种开放或封闭环境中,通过直接推送或其它非接触方式,实现远程微纳米粒子输运及小分子药物释放。磁性微纳米机器人在生物分析,疾病诊断,靶向送药,组织移除,微创手术,生物脱毒等生物医学领域具有广阔的应用潜力。
 
      截止目前,多种适用于不同应用环境的螺旋形微纳米机器人已经被研制,同时也已经实现在小鼠体内远程磁性驱动与追踪。然而,在面向临床转化的过程中还有着诸多难题。其中主要障碍是对集群化的磁性微纳米机器人进行独立控制,以实现多微纳米机器人安全,智能,敏捷的协同化操作,进而可以应对不同复杂应用环境的挑战。


 
图1. 利用三维激光直写技术制备螺旋形微纳米机器人。
 
     胡程志博士领导的研究小组利用具有不同亲疏水特性官能团的硫醇对形状相同的螺旋形微机器人进行表面化学修饰,以改变微机器人游动过程中与介质的粘滞阻力,同时结合外部旋转驱动磁场实现对集群化的螺旋形微机器人进行选择性控制。研究组还在水和不同生物介质中研究了表面润湿性对磁性螺旋形微机器人游泳行为的影响,并在微流道内实现对微机器人的选择性独立控制。


 
图2. 在磁性螺旋形微机器人表面化学修饰不同亲疏水基团后,微机器人的游动特性发生变化。
 
     此外,研究组还建立了适用于广泛螺旋形微机器人在不同介质中游动的动力学物理模型,并分析了界面摩擦对微机器人游动的影响。此成果对实现微纳米机器人集群控制并促进其在医疗等多领域应用具有重要影响。
 
文章链接:
10.1021/acsnano.8b02907
 
参考文献:
T. Y. Huang et al., "3D Printed Microtransporters: Compound Micromachines for Spatiotemporally Controlled Delivery of Therapeutic Agents," (in English), Advanced Materials, vol. 27, no. 42, pp. 6644-6650, Nov 11 2015.
 
X. Wang et al., "Surface-Chemistry-Mediated Control of Individual Magnetic Helical Microswimmers in a Swarm," ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.8b02907, 2018.


供稿:胡程志助理教授课题组