德克萨斯大学郑跃兵团队:光-热电微型游泳器件助力靶向给药

光-热电微型游泳器件助力靶向给药

近日,德克萨斯大学的郑跃兵教授课题组根据大肠杆菌的运动行为,开发了仿生光-热电微型游泳器件。器件由聚苯乙烯/金(PS/Au)双面PS/Au微粒构成,这些PS/Au微粒由光热反应产生的自维持的电场驱动。当他们用激光束照射PS/Au微粒时,PS/Au微粒的表面产生了光致温度梯度,形成一个光-热电场来推动它们前进。

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光-热电微游泳器件的光驱动及转向设计

 

研究小组根据PS/Au微粒的方向发现了微型游泳器件的游动方向。他们提出了一种新的光力学方法来理解微型游泳器件的游动方向,该方向依赖于因聚焦激光照射引起的温度梯度诱导电场。通过在设置时对第二次旋转激光束进行定时,他们将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。利用暗场光学成像和反馈控制算法,科学家们促进了微型游泳器件的自动化运行。光-热电微型游泳器件将应用于胶体系统、靶向给药和生物医学传感等领域。该研究以题为“Opto-thermoelectric microswimmers”发表在最新一期的《Light: Science & Applications》上。

【微型游泳器件】

微型游泳器件是一种能将外界的化学、声学或电磁能量转化为游泳动力的微型机械。这种机器在生物医学方面应用广泛,包括靶向给药、精密手术和诊断传感等。在这项工作中,Peng等人制备了一种基于PS/Au双面PS/Au微粒的全光驱动的微型游泳器件,在散焦激光照射下,PS/Au微粒两面对光的不对称吸收导致了表面产生温度梯度,进而形成电场,驱动PS/Au微粒运动。在第二束聚焦激光照射下,PS/Au微粒完成了平面内旋转。该实验成功的模仿了大肠杆菌的“奔跑-翻滚”运动。由于热电力、光力和斯托克斯阻力(stokes drag force)的作用,该团队实现了稳定的PS/Au微粒旋转。

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正在“游泳”的PS/AuPS/Au微粒

 

【概念与设计】

为了促进光子到声子(光到声)的能量转换,研究人员在PS微粒的一半表面上涂覆了一层Au制备光-热电微型游泳器件。在光照射下,PS和Au的对光的吸收差异导致了其表面的温度梯度。研究人员将PS/Au微粒分散到水溶液中,将热能转化为机械能。在激光照射和热电场驱动下,PS/Au微粒沿PS-to-Au方向运动,显示出游动的状态。然而,热波动可能会改变PS/Au微粒的游动方向,导致它们在迁移过程中偏离原定的路线。为了保证PS/Au微粒向目标移动,研究人员关掉了散焦激光束,采用一束聚焦激光来旋转和捕获PS/Au微粒以重新定位。在到达目的地后,再关闭聚焦激光束,重启散焦激光束,使PS/Au微粒回到游泳状态。这种双状态切换过程提供了最佳的设计,积极引导了微型游泳器件实现多种功能。

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PS/AuPS/Au微粒受散焦激光驱动的游泳行为

 

【光-热电微型游泳器件的游动与方向控制】

当研究人员使用散焦激光束驱动光-热电微游泳器件时,为PS/Au微粒实现了一个“能量池”(energy pool)。他们把沿着温度梯度的运动称为自发热迁移。在十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)溶液中,自发热迁移产生于热电效应。研究人员可以减少实验装置的腔室厚度,以稳定流体流动,促进PS/Au微粒的定向移动。由于PS/Au微粒的游动方向可以因为热波动而随机改变,因此需要第二束聚焦激光束来实现粒子旋转,从而有效地控制PS/Au微粒的游动方向。

随着激光功率的增加,PS/Au微粒受到了强烈的热效应和热损伤,但是其本身的旋转也加快了。旋转速度与粒子的尺寸相关。为了探究这一种热电力,研究人员对PS/Au微粒表面的温度分布进行了模拟。并通过对热电力与光学力的计算来探究微粒的旋转动力学。

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通过聚焦激光控制PS/Au微粒的方向

 

【反馈控制方法导航微粒游动】

研究人员随后建立了一种反馈算法来主动控制PS/Au微粒的游动方向。为了完成闭环控制,他们开发了一个计算机程序来跟踪PS/Au微粒的实时位置和方向,并自动协调控制系统。在实验中,两束激光束的开/关状态分别有两个计算机控制。研究人员实现了PS/Au微粒的定向游动。然而,旋转速度的增加会降低了游动方向的控制精度。为了解释这一点,研究人员使用了更高帧率电荷耦合器件(CCD)相机来提高反馈控制的准确性。这项工作表明了光-热电微型游泳器件携带药物分子和非金属部件进行精确传递的潜力,在靶向纳米给药方面具有潜在的应用前景。

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采用反馈控制方法对PS/Au微粒进行导航

 

总结:作者开发了基于PS/Au微粒的,具有全光驱动和导航功能的光-热电微型游泳器件。被光照射的PS/Au微粒产生的热量形成了一个热电场,在没有化学燃料的情况下推动粒子朝一个特定的方向前进。作者还利用另一束聚焦的激光来控制微泳者的方向,该器件为生物医学领域中开发多任务智能微机器人提供了进一步的探索。

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