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在材料科学中,液滴操作能为水收集、医学诊断和药物传递技术做出贡献。虽然基于结构的液体操作广泛应用于自然界和生物启发的人工材料,但实验室的策略依赖于固定结构的单向水运动。发表在《科学进展》的一项新研究中,An Li和中国科学院化学研究所一个研究小组提议开发一种磁控机器人。该结构具有可调节的结构来分配阻力和确定液滴行为。该机器人能够运输、分裂、释放和旋转液滴,适用于各种领域和恶劣环境。新的发现为自动控制液滴提供了一种有效的策略。

在这项研究中,An Li等人想出了一种可靠的方法,在可编程的磁场中,使用带钢珠的磁性驱动机器人操纵液滴。科学家们通过调节磁场来控制机器人的结构。不同的机器人结构导致不同的液滴行为组合,包括分裂、释放、旋转和运输。适用于水、油、气等各种流体。An Li等人帮助机器人在有限的空间、不平整的表面甚至在无水或无氧条件下驱动。这项工作在材料运输、微细加工和临床医学方面具有巨大的潜力。

实验室里的液滴操作是受到大自然的启发。例如,就植物和动物来看,在仙人掌中展示了雾收集系统,在蜘蛛丝上展示了水收集系统,并影响了纳米布沙漠甲虫收集和移动水的行为。水样采集的非对称性和固有的结构会引起液滴的拉普拉斯压力梯度,使液滴向预定的方向运动。研究人员可以使用各种外部策略,包括电、磁铁、声学和湿润的表面来驱动它们的运动。其中,磁力具有远程操作、安全、易于控制等优点。研究人员曾利用磁性粒子将水滴拖过疏水性或有图案的表面,并穿过对磁性有反应的材料。

An Li等人将磁性控制系统中的两颗钢珠命名为“机器人”,并用食品添加剂给水滴上色,以明确识别不同的驱动模式。这个亲水的机器人很容易就能捕捉到接触到的水滴。研究小组转移液滴并调整其结构,通过减少或增加珠子之间的距离来分裂子液滴或释放液滴。该过程主要依赖于机器人结构,其体积(V)影响结果。An Li等人使用珠子的中心到中心的距离(D/ D)来量化机器人的结构。例如,机器人D/D比率为1.67可以传输150µL滴的水。然而,如果滴液扩大到350µL,它会分裂。为了理解这一点,他们对整个系统进行了机械分析,然后确定设备背后的驱动力是珠子和液滴之间的粘附力。

在控制了空气中的水滴后,研究小组研究了机器人在不同的条件下,包括不同的环境。例如,通过克服重力和不同液滴与基质之间的粘附力来拖动液滴上下移动。这种装置在有限的空间内,如在微流体学和临床医学中至关重要的盒子和管道中有应用。无损传输和准确的试剂控制是定量化学微反应的关键,微反应广泛应用于分析化学、诊断学和生物技术中。例如,An Li等人通过可编程的液滴操控机器人,进行了连续的酸碱中和反应,将子液滴分裂开来,并将其转化为中性液滴。这些机器人提供了一种通用的方法来自动控制液滴,以进行微反应,这些试剂通常具有毒性,放射性或爆炸性。

研究人员随后在实验室中模拟生物医学过程,以探索机器人在体内医学应用中的潜力。他们首先模拟了在肾脏和胆囊等器官中发现结石或矿物质沉积,由于结构限制,无法通过手术切除,这些器官通常保持完整。利用微型机器人,他们将一个药物液滴拖到模拟的结石上,以便于收集和移除结石(基于两个表面的相容性)。在接下来的实验中,他们展示了机器人通过在积累过量胆固醇的冠状动脉中移除或清理血管的潜力。先是将药物液滴输送到模拟的斑块中,然后将药物溶解,由机器人处理。这些创新的方法可以在体内医学应用中具有多种功能。

通过这种方式,An Li和他的同事们提出了一种简单而通用的策略,即利用由两颗钢珠组成的磁性驱动机器人来操纵液滴。他们利用磁场来控制液滴前后的电阻力分布,从而控制液滴的结构。实现了液滴的输送、分裂、释放和旋转等多种行为。除了操纵空气中的水滴,该机器人还有望运输复杂的液体,如油、油中水和水中气。

钢珠显示出液滴在有限空间内的可操作性,包括有毒和放射性环境。这项工作在器件制造、传感和生物测定以及体内医学等领域具有重要的发展潜力。该团队设想,该系统的进一步优化将允许在纳升和皮升级别上进行较小的液滴操作,并增强生物相容性。

文章来源:Thamarasee Jeewandara

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