瞿金平院士华科大团队牛冉研究员《Small》：基于离子交换的可重构、磁控双功能集群

2024-01-26 来源：高分子科技

在自然界中，许多生物能够通过局部交流自组织成群体，完成个体无法完成的复杂任务，如鸟群、鱼群和蚂蚁群。受自然界这种惊人的集体行为启发，人们开发了具有群体智能的合成微机器人集群，用于执行定向运动、避障、药物运输和环境修复。在交流电场、磁场、声场和光场或化学反应等外部刺激的驱动下，微机器人可以通过物理或化学作用组织成一个失衡的微群。然而，在动态变化的环境中以高灵活性和分层可控性调节微群以完成任务仍具有挑战性，因为协调不同功能组件的策略以及微群与环境之间的相互作用仍在研究之中。尤其是利用长程相互作用来调整微群内部/之间的相互作用的方法还很少见。

近日，华中科技大学化学与化工学院瞿金平院士/牛冉研究员团队在《Small》杂志在线发表了题为“Ion-Exchange Enabled Dual-Functional Swarms with Reconfigurability and Magnetic Controllability”的研究文章。他们报道了一种利用阳离子交换树脂球和磁性微球之间的离子交换反应诱导的分层微群（IEX/MP3）。该微群在磁场作用下可重构，产生运动可控甚至等级可逆转的有序结构，能够在封闭和复杂的环境中航行。同时，微群之间还能进行有趣的交流，如合并、分裂和成员交换，形成多领导群体、活性晶体和复杂漩涡。此外，微群还能实现双功能微反应器的功能，它能以 pH增强的方式装载、运输和释放药物，还能在受污染的水中通过光增强的类Fenton反应有效降解抗生素。微群的有组织结构大大提高了药物装载/运输效率和催化剂的局部浓度，从而快速去除污染物。这项工作为设计用于智能药物输送和先进环境修复的双功能微纳米机器人奠定了基础。

图1. IEX和MP3之间的离子交换过程和自组装运动

图2. 由 xy 旋转磁场控制IEX/MP3微群在平面内旋转

图3. 由 xz旋转磁场控制IEX/MP3微群在表面滚动和在复杂环境中导航

图4. 多个IEX/MP3微群之间的交流

图5. IEX/MP3微群的药物装载、pH控制药物释放以及对癌细胞（Hela）的杀灭效果

图6. IEX/MP3微群光催化降解四环素（TC）

论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士研究生陈玲，论文通讯作者为华中科技大学化学与化工学院牛冉研究员，论文作者还包括华中科技大学瞿金平院士，龚江教授。该研究得到国家自然科学基金的资助。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202308318

作者简介：

牛冉，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师、国家重点研发计划青年项目首席科学家，主要研究领域为能量转化功能高分子材料及微纳米机器人。目前以第一或通讯作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Sci., Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文60余篇，获授权专利5项，申请专利7项。主持承担国家自然科学基金、重点研发计划青年科学家项目、重点研发计划子课题等国家和省部级科技项目多项，并获得湖北省海外高层次人才计划、武汉英才等多项荣誉奖励。担任Rare Metals期刊 (中科院1区，影响因子6.3)， Exploration和Energy Materials期刊青年编委。

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（责任编辑：xu）

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