巴西圣保羅州坎皮納斯大學(xué)化學(xué)研究所 (IQ-UNICAMP) 的研究人員開發(fā)了一種無模板技術(shù)來制造不同大小的纖毛，這些纖毛模仿生物功能并具有多種應(yīng)用，從將流體導(dǎo)入微通道到例如，將材料加載到單元格中。高度靈活的纖毛基于聚合物涂層的氧化鐵納米粒子，它們的運(yùn)動(dòng)可以由磁鐵控制。

在自然界中，纖毛是在某些細(xì)胞表面大量發(fā)現(xiàn)的微小毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)，在周圍流體中產(chǎn)生電流，或者在某些原生動(dòng)物和其他小生物中，提供推進(jìn)力。

為了在不使用模板的情況下制造細(xì)長的納米結(jié)構(gòu)，Watson Loh 和博士后研究員 Aline Grein-Iankovski 在氧化鐵顆粒(γ-Fe 2 O 3，稱為磁赤鐵礦)上涂上了一層含有熱響應(yīng)性膦酸基團(tuán)的聚合物和定制-由專業(yè)公司合成。該技術(shù)利用膦酸基團(tuán)與金屬氧化物表面的結(jié)合親和力，通過溫度控制和磁場的使用來制造纖毛。

“這些材料在室溫或附近不會(huì)結(jié)合，并在沒有磁場刺激的情況下形成團(tuán)塊，”Loh 解釋說。“正是磁場的作用使它們具有纖毛的細(xì)長形狀。”

Grein-Iankovski 從溶液中的穩(wěn)定顆粒開始，并在嘗試聚集材料的過程中獲得了纖毛。“我在溶液中準(zhǔn)備松散的細(xì)長絲，并考慮改變方向場，”她回憶道。“我沒有將它們平行于載玻片定向，而是將它們放置在垂直位置，然后發(fā)現(xiàn)它們往往會(huì)遷移到玻璃表面。我意識(shí)到如果我強(qiáng)迫它們粘在玻璃上，我可以獲得不同的一種不會(huì)松散的材料：它的運(yùn)動(dòng)是有序的和協(xié)作的。”

當(dāng)混合物被加熱并暴露在磁場中時(shí)，熱敏聚合物結(jié)合到納米顆粒的表面并將它們組織成細(xì)長的細(xì)絲。轉(zhuǎn)變發(fā)生在生物相容的溫度(約 37 °C)。她補(bǔ)充說，由此產(chǎn)??生的磁性纖毛“非常靈活”。通過增加納米顆粒的濃度，它們的長度可以從 10 到 100 微米不等。一微米 (μm) 是百萬分之一米。

“不使用模板的優(yōu)點(diǎn)是不受這種方法的限制，例如大小，”Grein-Inakovski 解釋說。“在這種情況下，要生產(chǎn)非常小的纖毛，我們必須創(chuàng)建帶有微孔的模板，這將非常費(fèi)力。調(diào)整涂層密度和纖毛大小需要新模板。每個(gè)最終產(chǎn)品必須使用不同的模板厚度。此外，使用模板為纖毛的生產(chǎn)增加了另一個(gè)階段，即模板本身的制造。”

Grein-Iankovski 是發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C上的一篇關(guān)于該發(fā)明的文章的主要作者，該文章是 FAPESP 支持的專題項(xiàng)目的一部分，Loh 是首席研究員。

“主題項(xiàng)目涉及四個(gè)小組，他們正在研究分子和粒子如何在膠體水平上組織，這意味著在非常小的結(jié)構(gòu)水平上。我們的方法是試圖找到控制這些分子的方法，以便它們響應(yīng)于外部刺激，產(chǎn)生具有不同用途的不同形狀，”Loh 說。

可逆性

移除磁場后，材料會(huì)保持聚集狀態(tài)至少 24 小時(shí)。然后它以取決于制備溫度的速度分解。“溫度越高，這種效應(yīng)就越強(qiáng)烈，它在磁場外聚集的時(shí)間也就越長，”Grein-Iankovski 說。

根據(jù) Loh 的說法，材料的可逆性是一個(gè)積極的點(diǎn)。“在我們看來，能夠組織和解散材料，'打開和關(guān)閉系統(tǒng)'，是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，”Loh 說。“我們可以調(diào)節(jié)溫度、保持聚合的時(shí)間、纖毛長度和涂層密度。我們可以為許多不同類型的用途定制材料，為特定目的組織和塑造它。我相信潛在的應(yīng)用是無數(shù)的，從生物到物理用途，包括材料科學(xué)應(yīng)用。”

Grein-Iankovski 補(bǔ)充說，另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以在外部操縱材料，而用于操作的工具不在系統(tǒng)內(nèi)部。“這些細(xì)絲可用于在流體微系統(tǒng)、微通道中均勻化和移動(dòng)粒子，只需從外部接近磁鐵。例如，它們可以通過這種方式引導(dǎo)流體。”

纖毛也可用于傳感器，其中粒子對(duì)來自分子的刺激做出反應(yīng)，或喂養(yǎng)微觀生物。“最終有可能用松散的纖毛喂養(yǎng)微生物或細(xì)胞，纖毛在某些條件下穿過細(xì)胞膜。它們可以進(jìn)入細(xì)胞，并施加磁場來操縱它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，”Loh 說。

十多年來，Loh 與巴黎狄德羅大學(xué)(法國巴黎 7 號(hào))的讓-弗朗索瓦·貝雷 (Jean-François Berret) 合作研究同一系列聚合物，以獲得用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的細(xì)長材料。“我們正在尋求其他合作伙伴關(guān)系，以探索纖毛的其他可能用途，”他說。

科學(xué)家們現(xiàn)在計(jì)劃在納米結(jié)構(gòu)中加入一種化學(xué)添加劑，以化學(xué)方式結(jié)合顆粒，獲得具有更高機(jī)械強(qiáng)度的纖毛，如果需要的話，纖毛在不暴露于磁場時(shí)仍能保持更長時(shí)間的功能。

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