Bio-templated Fabrication and Remote Actuation of Pollen-Based Magnetic Microcapsules for Active Car

来源 :福建工程学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:walkman73
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纳米技术的主要目标是制造能够在环境和生物医学领域中发挥多重作用的微型机器以取代宏观小型装置。微纳米机器人不仅在纳米技术领域引起了广泛的关注,而且也在医学等其他科学领域也引起了广泛的关注。许多科学家正努力通过开发新的策略,例如,微纳米机器的功能性、广泛性、运动可控性等来推动其发展。研究人员报道,微纳米机器人能够熟练地通过狭窄的毛细血管或复杂的生物介质并进行导航,完成诊断、取样活检、体内成像和靶向释放人体受损组织等操作。微纳米机器人在体内的应用证实了它们在组织穿透、货物装载和保留等方面能力的改进。这些微纳米机器人以其装载药物和高效递送药物的能力有望替代医疗机器人。此外,这些微纳米机器人不需要使用任何电池或电缆来操作或控制它们,它们可以通过光、化学、超声、电和磁场等外场力等进行远程驱动及操控。磁性微纳米颗粒种类众多,但在纳米医学领域中,具有超顺磁性的纳米颗粒如磁铁矿(Fe3O4)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3)被认为具有很大的潜力。由于它们的生物相容性和超顺磁性,这些纳米颗粒得到了广泛的应用。它们在磁场作用下会迅速磁化或退磁,表现出低的磁滞性,并且可以通过在磁性纳米颗粒表面修饰上不同的物质,使其功能化以适应特定的医学和治疗用途。由于合成具有柔性结构和性能的微纳米机器人具有挑战性且成本高昂,因此我们可以利用具有柔性结构的天然生物来制造微纳米机器人。许多基于生物相容性材料的微纳米机器人都可以被降解,并且在处理后就可以分离。在仿生合成方面,许多有机结构被用于完整的生物系统,如微生物、类病毒颗粒、蜘蛛丝和花粉等。研究学者们对具有复杂结构的微米尺度壳体的设计进行了无数次的尝试,但迄今为止都没有取得成功。在过去的几十年里出现了各种不同的制造技术,但大自然有能力制造出仿真的复杂微胶囊结构,例如微大小的花粉颗粒,可以将生物材料在一个保护性的外壳中保存很长一段时间。在自然界中,花粉起着保护作用,防止遗传物质因脱水、光照和微生物的攻击而降解。随着越来越多的研究人员认识到花粉及其结构的独特性,及其可大批量生产和可收集性,研究人员对花粉及其结构展开广泛的制备研究。在本研究中,我们利用两种花粉(茶花、莲花)作为模板,在其表面修饰微磁颗粒用以包封药物及执行应用。花粉的多孔中空腔体结构使其适于装载所需的药物,并能降解污水或吸附水中有害重金属。将每个品种的花粉进行脱脂处理,然后采用提取技术收集微胶囊壳体结构。提取技术为利用4M盐酸溶液,使用恒温集热式磁力搅拌器将花粉和盐酸的混合物加热至70o摄氏度反应12小时。胶囊壳体的提取对于实现装药的目的是必不可少的。我们已经使用了两种不同的制造方法(机械搅拌法,超声化学法),这在大规模制造方面是安全且经济有效的。这些装载技术成功地将前体沉积在生物模板表面,并赋予其磁性。以莲花花粉为生物模板,采用机械搅拌和超声化学两种不同的技术,在70℃条件下反应2h。在本研究中,我们通过控制温度、浓度和时间来控制花粉表面沉积物质的厚度。我们使用了不同的沉积时间(1.5h,2h,2.5h,4h和6h)来研究时间对沉积层的影响。结果表明,随着时间的延长,花粉表面沉积前驱体的分布受到影响。另一方面,用不同浓度(0.1M、0.5M、0.05M、0.15M)的Fe Cl3溶液观察花粉表面纳米颗粒的沉积情况。前驱体沉积于花粉表面后,在真空炉下进行550℃-30min的退火处理。在这种退火处理中,观察到花粉颗粒发生缩小,导致遗传物质从腔体中消失。研究表明,随着Fe Cl3溶液浓度的增加,前驱体会形成一层薄薄的前驱体。此外,在用机械搅拌法制备的花粉时,浓度为0.1M的样品表面均匀负载上致密的磁性颗粒壳层。花粉壳的独特结构和强度在超声化学技术制造过程中显示出了良好的效果,这种方法已应用于各种微纳米材料制造。在本研究中,我们以莲花花粉为模板,使用一步超声化学法在70°C条件下反应2小时制备纳米颗粒,仪器的超声频率设置为(40khz,2W cm-2)。在这一过程中,花粉的结构得到保持,但花粉粒表面前体的分布不均匀。接着在550℃下退火30min,利用SEM、EDS和XRD等技术对这些前体颗粒进行分析。结果表明,0.25M的样品具有明显的前驱体沉积的和较好的磁性能。其中磁性能是通过磁铁吸引加以证明。比较了两种制备方法的XRD谱图,发现机械搅拌法更适合以莲花花粉为生物模板制备磁性微颗粒。并通过甲基蓝(MB)的吸附实验计算其吸附率。实验结果表明MB吸附率为95%,吸附量为7.6 mg/g。最后,通过施加30 GS-8GH的外部磁场,莲花粉以不同的方式(滚动、旋转)实现运动。这些磁性粒子的成功驱动表明,它们在医疗和环境应用方面存在潜力。用茶花粉为模板制备微型机器人,采用两种不同的制备方法,在70℃下反应2h合成磁性微颗粒。茶花花粉的形状呈三角形,在花粉粒的表面含有大量的空隙。花粉的外层存在纳米通道,若花粉的内部物质被移除,其空腔结构则可以用来装载物质。对花粉粒进行处理,去除外层的脂质层。我们在每一种制备方法中均使用了不同浓度的Fe Cl3溶液(0.1M,0.5M,0.25M,0.15M),得到了不同厚度的前体沉积层。机械搅拌法在70℃的条件下反应2小时,制得纳米颗粒在整个花粉表面的分布较超声化学法均匀。在超声化学反应过程中(40khz,2W cm-2),花粉粒的结构得到保持。然后在550℃下退火30min,花粉颗粒内部物质得到去除,尺寸发生减小。这两种工艺的结果表明,我们可以通过控制反应时间、浓度和温度来控制茶花花粉表面前体的厚度。采用SEM、EDS和XRD对每种制备方法制备的样品进行了研究。结果表明,超声化学方法制备得到的微型机器人比机械搅拌法具有更好的磁性能。这两种方法均可制备磁性微型机器人。对磁性微型机器人进行磁场驱动测试,结果表明其在30 GS-8GH的外加磁场下可进行运动。通过甲基蓝(MB)的吸附实验计算其吸附率。实验结果表明MB吸附率为95%,吸附量为7.5 mg/g。
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