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瞿金平院士華科大團隊牛冉研究員《Small》：基于離子交換的可重構(gòu)、磁控雙功能集群
2024-01-26  來源：高分子科技

  在自然界中，許多生物能夠通過局部交流自組織成群體，完成個體無法完成的復雜任務，如鳥群、魚群和螞蟻群。受自然界這種驚人的集體行為啟發(fā)，人們開發(fā)了具有群體智能的合成微機器人集群，用于執(zhí)行定向運動、避障、藥物運輸和環(huán)境修復。在交流電場、磁場、聲場和光場或化學反應等外部刺激的驅(qū)動下，微機器人可以通過物理或化學作用組織成一個失衡的微群。然而，在動態(tài)變化的環(huán)境中以高靈活性和分層可控性調(diào)節(jié)微群以完成任務仍具有挑戰(zhàn)性，因為協(xié)調(diào)不同功能組件的策略以及微群與環(huán)境之間的相互作用仍在研究之中。尤其是利用長程相互作用來調(diào)整微群內(nèi)部/之間的相互作用的方法還很少見。


  近日，華中科技大學化學與化工學院瞿金平院士/牛冉研究員團隊在《Small》雜志在線發(fā)表了題為“Ion-Exchange Enabled Dual-Functional Swarms with Reconfigurability and Magnetic Controllability”的研究文章。他們報道了一種利用陽離子交換樹脂球和磁性微球之間的離子交換反應誘導的分層微群（IEX/MP3）。該微群在磁場作用下可重構(gòu)，產(chǎn)生運動可控甚至等級可逆轉(zhuǎn)的有序結(jié)構(gòu)，能夠在封閉和復雜的環(huán)境中航行。同時，微群之間還能進行有趣的交流，如合并、分裂和成員交換，形成多領導群體、活性晶體和復雜漩渦。此外，微群還能實現(xiàn)雙功能微反應器的功能，它能以 pH增強的方式裝載、運輸和釋放藥物，還能在受污染的水中通過光增強的類Fenton反應有效降解抗生素。微群的有組織結(jié)構(gòu)大大提高了藥物裝載/運輸效率和催化劑的局部濃度，從而快速去除污染物。這項工作為設計用于智能藥物輸送和先進環(huán)境修復的雙功能微納米機器人奠定了基礎。

 

圖1. IEX和MP3之間的離子交換過程和自組裝運動

 

圖2. 由 xy 旋轉(zhuǎn)磁場控制IEX/MP3微群在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)

 

圖3. 由 xz旋轉(zhuǎn)磁場控制IEX/MP3微群在表面滾動和在復雜環(huán)境中導航

 

圖4. 多個IEX/MP3微群之間的交流

 

圖5. IEX/MP3微群的藥物裝載、pH控制藥物釋放以及對癌細胞（Hela）的殺滅效果

 

圖6. IEX/MP3微群光催化降解四環(huán)素（TC）


  論文第一作者為華中科技大學化學與化工學院博士研究生陳玲，論文通訊作者為華中科技大學化學與化工學院牛冉研究員，論文作者還包括華中科技大學瞿金平院士，龔江教授。該研究得到國家自然科學基金的資助。


  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202308318


作者簡介：



牛冉，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師、國家重點研發(fā)計劃青年項目首席科學家，主要研究領域為能量轉(zhuǎn)化功能高分子材料及微納米機器人。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Sci., Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發(fā)表SCI論文60余篇，獲授權專利5項，申請專利7項。主持承擔國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃青年科學家項目、重點研發(fā)計劃子課題等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽獎勵。擔任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū)，影響因子6.3)， Exploration和Energy Materials期刊青年編委。
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（責任編輯：xu）
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