光-熱電微型游泳器件助力靶向給藥
近日，德克薩斯大學(xué)的鄭躍兵教授課題組根據(jù)大腸桿菌的運(yùn)動(dòng)行為，開發(fā)了仿生光-熱電微型游泳器件。器件由聚苯乙烯/金（PS/Au）雙面PS/Au微粒構(gòu)成，這些PS/Au微粒由光熱反應(yīng)產(chǎn)生的自維持的電場驅(qū)動(dòng)。當(dāng)他們用激光束照射PS/Au微粒時(shí)，PS/Au微粒的表面產(chǎn)生了光致溫度梯度，形成一個(gè)光-熱電場來推動(dòng)它們前進(jìn)。
研究小組根據(jù)PS/Au微粒的方向發(fā)現(xiàn)了微型游泳器件的游動(dòng)方向。他們提出了一種新的光力學(xué)方法來理解微型游泳器件的游動(dòng)方向，該方向依賴于因聚焦激光照射引起的溫度梯度誘導(dǎo)電場。通過在設(shè)置時(shí)對(duì)第二次旋轉(zhuǎn)激光束進(jìn)行定時(shí)，他們將PS/Au微粒定位在需要的方位，以有效地控制PS/Au微粒的方向。利用暗場光學(xué)成像和反饋控制算法，科學(xué)家們促進(jìn)了微型游泳器件的自動(dòng)化運(yùn)行。光-熱電微型游泳器件將應(yīng)用于膠體系統(tǒng)、靶向給藥和生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域。該研究以題為“Opto-thermoelectric microswimmers”發(fā)表在最新一期的《Light: Science & Applications》上。
【微型游泳器件】
微型游泳器件是一種能將外界的化學(xué)、聲學(xué)或電磁能量轉(zhuǎn)化為游泳動(dòng)力的微型機(jī)械。這種機(jī)器在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用廣泛，包括靶向給藥、精密手術(shù)和診斷傳感等。在這項(xiàng)工作中，Peng等人制備了一種基于PS/Au雙面PS/Au微粒的全光驅(qū)動(dòng)的微型游泳器件，在散焦激光照射下，PS/Au微粒兩面對(duì)光的不對(duì)稱吸收導(dǎo)致了表面產(chǎn)生溫度梯度，進(jìn)而形成電場，驅(qū)動(dòng)PS/Au微粒運(yùn)動(dòng)。在第二束聚焦激光照射下，PS/Au微粒完成了平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該實(shí)驗(yàn)成功的模仿了大腸桿菌的“奔跑-翻滾”運(yùn)動(dòng)。由于熱電力、光力和斯托克斯阻力（stokes drag force）的作用，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的PS/Au微粒旋轉(zhuǎn)。
【概念與設(shè)計(jì)】
為了促進(jìn)光子到聲子(光到聲)的能量轉(zhuǎn)換，研究人員在PS微粒的一半表面上涂覆了一層Au制備光-熱電微型游泳器件。在光照射下，PS和Au的對(duì)光的吸收差異導(dǎo)致了其表面的溫度梯度。研究人員將PS/Au微粒分散到水溶液中，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在激光照射和熱電場驅(qū)動(dòng)下，PS/Au微粒沿PS-to-Au方向運(yùn)動(dòng)，顯示出游動(dòng)的狀態(tài)。然而，熱波動(dòng)可能會(huì)改變PS/Au微粒的游動(dòng)方向，導(dǎo)致它們?cè)谶w移過程中偏離原定的路線。為了保證PS/Au微粒向目標(biāo)移動(dòng)，研究人員關(guān)掉了散焦激光束，采用一束聚焦激光來旋轉(zhuǎn)和捕獲PS/Au微粒以重新定位。在到達(dá)目的地后，再關(guān)閉聚焦激光束，重啟散焦激光束，使PS/Au微?；氐接斡緺顟B(tài)。這種雙狀態(tài)切換過程提供了最佳的設(shè)計(jì)，積極引導(dǎo)了微型游泳器件實(shí)現(xiàn)多種功能。
【光-熱電微型游泳器件的游動(dòng)與方向控制】
當(dāng)研究人員使用散焦激光束驅(qū)動(dòng)光-熱電微游泳器件時(shí)，為PS/Au微粒實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“能量池”（energy pool）。他們把沿著溫度梯度的運(yùn)動(dòng)稱為自發(fā)熱遷移。在十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)溶液中，自發(fā)熱遷移產(chǎn)生于熱電效應(yīng)。研究人員可以減少實(shí)驗(yàn)裝置的腔室厚度，以穩(wěn)定流體流動(dòng)，促進(jìn)PS/Au微粒的定向移動(dòng)。由于PS/Au微粒的游動(dòng)方向可以因?yàn)闊岵▌?dòng)而隨機(jī)改變，因此需要第二束聚焦激光束來實(shí)現(xiàn)粒子旋轉(zhuǎn)，從而有效地控制PS/Au微粒的游動(dòng)方向。
隨著激光功率的增加，PS/Au微粒受到了強(qiáng)烈的熱效應(yīng)和熱損傷，但是其本身的旋轉(zhuǎn)也加快了。旋轉(zhuǎn)速度與粒子的尺寸相關(guān)。為了探究這一種熱電力，研究人員對(duì)PS/Au微粒表面的溫度分布進(jìn)行了模擬。并通過對(duì)熱電力與光學(xué)力的計(jì)算來探究微粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。
【反饋控制方法導(dǎo)航微粒游動(dòng)】
研究人員隨后建立了一種反饋算法來主動(dòng)控制PS/Au微粒的游動(dòng)方向。為了完成閉環(huán)控制，他們開發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序來跟蹤PS/Au微粒的實(shí)時(shí)位置和方向，并自動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中，兩束激光束的開/關(guān)狀態(tài)分別有兩個(gè)計(jì)算機(jī)控制。研究人員實(shí)現(xiàn)了PS/Au微粒的定向游動(dòng)。然而，旋轉(zhuǎn)速度的增加會(huì)降低了游動(dòng)方向的控制精度。為了解釋這一點(diǎn)，研究人員使用了更高幀率電荷耦合器件(CCD)相機(jī)來提高反饋控制的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)工作表明了光-熱電微型游泳器件攜帶藥物分子和非金屬部件進(jìn)行精確傳遞的潛力，在靶向納米給藥方面具有潛在的應(yīng)用前景。
總結(jié)：作者開發(fā)了基于PS/Au微粒的，具有全光驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)航功能的光-熱電微型游泳器件。被光照射的PS/Au微粒產(chǎn)生的熱量形成了一個(gè)熱電場，在沒有化學(xué)燃料的情況下推動(dòng)粒子朝一個(gè)特定的方向前進(jìn)。作者還利用另一束聚焦的激光來控制微泳者的方向，該器件為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中開發(fā)多任務(wù)智能微機(jī)器人提供了進(jìn)一步的探索。
