深圳大学《ACS Nano》：基于镁基金属玻璃纳米线的微型光驱动机器人真相还有哪些？

人类已开发出一系列在外部刺激下可执行复杂任务的仿生微型机器人，如仿蛇类、昆虫、和水步等。此类微型机器人在药物运输、远程送样、液体检测、和生物医学工程等领域被广泛应用。基于此，研究者开发了各种自驱动响应策略，其中基于马兰戈尼效应的光驱动被认为是一种有吸引力的选择。但大多数光驱动微型机器人使用石墨烯和碳纳米管等作为光热材料，导致其生物相容性和可降解性较差，极大地限制了其在生物领域的应用。

近日，深圳大学马将教授团队基于成分和结构双调控策略，利用溶解制造，获得了兼具优异光热性和生物兼容性的光控微型机器人。相关文章以“Design of light-driven biocompatible and biodegradable microrobots containing Mg-based metallic glass nanowires”为标题发表于纳米材料领域顶刊ACS Nano。第一作者为深圳大学硕士研究生黄金标，通讯作者为深圳大学马将教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08277

本工作将具有优异光热效应和生物相容性降解性的镁基金属玻璃纳米线(Mg-MGNWs)与聚羟基烷酸酯(PHA)相结合，制备出具有复杂形状可编程运动的微型机器人。在近红外(NIR)激光照射下，微型机器人通过PHA多孔结构和Mg-MGNWs的局部表面等离子体共振(LSPR)的协同作用，将光能转化为热能，在水面形成表面张力差，实现了在水面上的快速和长时间远程控制。实验中，当激光功率密度为2.0 W/cm2时，机器人的速度可达9.91 mm/s。并且，通过照射微型机器人不同位置，可实现在水面上可编程的复杂运动，包括直线、顺时针、逆时针和避障运动等。本工作提出的生物相容可降解的微型机器人制造方法在流体检测、药物运输和生物医学诊断等领域具有广阔的应用前景。

图1. (a)微型机器人制备示意图。(b) Mg-MGNWs的SEM图。(c) 多孔 PHA 的SEM图。(d) 多孔PHA/Mg-MGNWs的SEM图。

图2. 光热转换性能。(a)多孔PHA/Mg-MGNWs的升温示意图。(b) 纳米线在波长为 808 nm激光照射下的电场分布。(c) 在1.5 W/cm2808 nm近红外激光照射下，MG 板、PHA 板、多孔PHA、Mg-MGNWs和多孔PHA/Mg-MGNWs的温度曲线。(d)多孔PHA/Mg-MGNWs在0.5、1.0、1.5和2.0 W/cm2激光功率下的红外图像。(e)微机器人的模拟速度和相应温度图。(f)微机器人对应下方水域的温度和表面张力。(g)微机器人在水面的模拟温度图和红外热成像图。

图3. 微型机器人的光热驱动。(a)基于马兰戈尼效应的微机器人推进示意图。(b)微型机器人的受力分析。(c)不同功率密度下微型机器人在水面上运动的位移曲线。(d)微型机器人在水面上由表面张力形成的驱动力。(e)微型机器人在不同浓度纳米线作用下的位移曲线。(f)微型机器人在不同功率密度下运动的光学图像。

图4. 光驱动微型机器人在水面上的运动。(a)显示微型机器人直线运动的光学图。(b)微型机器人顺时针旋转。(c)微型机器人逆时针旋转。(d)微型机器人避障示意图和光学图。

图 5. 生物相容性和降解性。(a)用空白、MG板、PHA板和多孔PHA/Mg-MGNWs培养的L929细胞的1、4、7天细胞活力(n=3)。(b)用空白、MG板、PHA板和多孔PHA/Mg-MGNWs培养的L929细胞1、4、7 天荧光显微镜图。(c)-(e)多孔PHA/Mg-MGNWs在们体液中降解0、4和7天后的SEM图。