截止目前， 基于Janus结构的微、纳马达已被提出可应用于如水环境修复、药物运输和生物传感等领域。尽管科学家们已经在开发微马达上投入了大量精力，并且有了多种微马达制作策略，但是在制作过程中，仍然存在很多问题，例如昂贵的成本，较低的产率和不可避免使用的一些有机溶剂、化学交联剂、表面活性剂、紫外线照射和细胞毒性试剂等。因此，这些微马达在生物医药等相关领域的应用受到了一定的限制。如何制造出一种具有高生物相容性且可控的微马达是一项重要挑战。

  针对这些挑战，黄超伯教授课题组和哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授团队提出利用一种简单且高通量的气体剪切方法来制备微马达。通过该方法制备的多面微球微马达具有高度的调节性、很好的生物相容性和完成复杂运动的可行性。该微球作为一种具有自主运动能力的水性微马达在生物医药等相关领域体现出了巨大的潜力。具体来说，该研究使用了自制的喷头装置（SED）, 结合气体剪切的策略，制备出多达8面异性的微球结构（图1a）。考虑到生物相容性的问题，在制备过程中仅使用了美国食品药品监督管理局（FDA）批准的海藻酸钠（Na-Alg），以及生物催化剂过氧化氢酶和具有生物相容性的四氧化三铁纳米颗粒（Fe₃O₄）等。微球的驱动力来源于外部磁场和过氧化氢酶介导的燃料分解，使得微球可以在磁场的作用力和气泡的推动力下产生可控的运动，从而形成双动力微马达。通过控制外部磁场和微球各个腔室中材料的组成等（图2），可以让微球完成按照设计的各种轨迹的运动，如旋转运动、直线运动、曲线运动和圆周运动等（图1b），体现了该方法制备微马达具有的高度的灵活性和可控性。

图1 双动力微球马达制备和运动轨迹示意图。

图2 气体辅助方法制备微球的高度可控性展示。

  为了证明双驱动的可行性，首先制备了Janus微球并进行磁力驱动以及磁力和酶双驱动的验证，结果如图3所示，微球可以轻松实现单驱动和双驱动。接下来，该工作以8面微球为例，制备了磁性颗粒空间和非磁性颗粒空间交替的8面异向微球微马达，通过设计微球空间的结构成功实现了微马达的各种轨迹运动（图4）。在之后的研究中，为了实现更复杂的运动，研究人员将梯度的过氧化氢酶装载在8面微球的4个相邻的腔室中，由于产生气泡速率不同，各个面受到的驱动力也产生区别，而这些梯度力使得微球不断地实现复杂的圆周运动（图5）。

图3  微球在双动力作用下的可控运动轨迹。

图4  微球的可控运动。

图5   微球在梯度过氧化氢酶作用下进行重复圆周运动。

  综上所述，该双动力微球微马达具有很好的可控性。在之前的工作中他们已经证明所制备的微球具有较好的生物相容性。同时，该方法具有极高的制备通量，在20秒时间内可制备约2000个微球，这使得所制备的微马达的实际应用成为可能。这些优异的性能表明，基于气体辅助策略制备的可控微马达可以在环境修复、药物运输等方面起到重要作用。在未来的研究中，还可以通过改变微球腔体中的材料成分，提供更多的动力来源来为此类生物相容性微马达开拓更大的应用前景。

  相关成果发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal（IF: 10.652）上。论文的第一作者为南京林业大学化学工程学院和哈佛大学医学院联合培养博士生唐国胜，其他作者为南京林业大学本科生陈龙、哈佛大学医学院连黎明、南京林业大学李芳华、 哈佛大学医学院联合培养博士生Hossein Ravanbakhsh、哈佛大学医学院博士后王冕。通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授和南京林业大学化学工程学院黄超伯教授。

  该工作是黄超伯教授课题组的第三篇关于多面异向微球的系列工作。当前，多面异向微球在生物医学工程和材料科学中受到广泛关注。由于单个微球可以在不同空间中携带多种材料，因此在多药物释放、细胞共培养、微驱动、多靶点检测等领域有很多重要的应用。然而，由于以往制备技术的限制，导致微球缺乏优良的生物可相容性。基于此，该课题组首次提出了一步无油气体辅助策略制备多面异向微球。微球尺寸可以控制在数十到数百微米之间，具有很好的单分散性且产量极高。通过改变同轴微针头系统的结构，可以轻松地制备得到2-10面异向微球，并精确控制每个腔室的性质。前两篇工作分别发表在Advanced Science和Small上，该方法已经被证明可应用于多细胞共培养、药物防伪和自驱动等领域。在生物医药和材料科学领域有着重要的应用价值。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127187

  https://doi.org/10.1002/smll.201907586

  https://doi.org/10.1002/advs.201802342

作者简介：

  唐国胜为南京林业大学在读博士、哈佛大学医学院联合培养博士。博士期间，首次提出了新型气体辅助策略制备多面异向微球并探索其在生物医药领域的应用。在哈佛医学院的主要研究方向为3D生物打印和器官芯片等。截止目前，共发表学术论文28篇。其中SCI收录论文15篇，第一作者论文7篇，引用650余次，单篇最高被引用200余次，H因子8，累计影响因子超过110，单篇最高影响因子为15.84，影响因子大于10分的5篇，其中3篇为第一作者， 3篇文章入选全球Top 1% ESI高被引论文，已授权发明专利13项。相关成果得到了包括《科技日报》、《江苏科技报》、《南京日报》等重点报道。

  黄超伯教授现任南京林业大学化学工程学院副院长，博士生导师，2013年入选第四批“江苏特聘教授”并全职回国，2011年比利时根特大学（Ghent University, Belgium）获药学博士学位，2011-2013年在瑞士联邦理工（洛桑）（EPFL, Switzerland）从事博士后研究工作。目前主要从事生物质高分子功能材料的制备及其应用研究，以微流体及静电纺丝技术为主要制备手段，在多学科交叉融合的基础上，从分子水平作用机理出发，揭示木质纤维素基纳米材料多维结构构筑、分级形貌调控和智能响应等作用机理，并以此为支撑，开展木质纤维素材料的高值化利用基础研究。近年来在Adv. Mater.、Adv. Sci.、Small、ACS Appl. Mater. Inter.、Carbon、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Chem. Soc. Rev.等期刊发表SCI论文60余篇，被他人引用2300余次，累计影响因子超400，影响因子大于10的7篇，单篇最高被引用246次，5篇文章入选全球Top 1% ESI高被引论文，2篇入选热点论文，已授权发明专利13项，出版英文专著两部。先后主持国家重点研发计划子课题，国家自然科学基金面上项目和应急基金项目等 8 项科研项目。课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/huangchaobo

  Yu Shrike Zhang教授为美国哈佛大学医学院助理教授，2013年于Georgia Institute of Technology生物医学工程系取得博士学位。研究领域包括生物打印及器官芯片的平台搭建与应用研究，在相关领域发表研究论文及综述200余篇，H因子58，被引用12000余次，包括以第一或通讯作者发表的Science、PNAS、Nat. Rev. Mater.、Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials 等，其中超过40篇封面文章；研究成果曾被BBC、Fox News、The Boston Globe/STAT News、Science Daily、Technology Networks、IEEE Spectrum、C&EN、《科技日报》等报道。担任十余本杂志的主编、副主编和编委等，曾获得多种国际和地区性奖项40余项。课题组网页：https://shrikezhang.com/