神奇的微型游泳器

编译 费文绪

有朝一日，微型自驱动颗粒可用于净化污水或体内送药。

人造微型游泳器可能最终模仿科幻电影《神奇旅程》中的迷你潜水艇，游到病人的血管里输送药物

游泳是很多生物普遍都会的一项技能。大个头的动物，比如鲸或人类，一般是通过把向后的动量传递给流体，由于动量守恒而向前游动。同样的游泳策略甚至对相对小型的动物也适用，比如鱼和蝌蚪。

微生物，比如细菌，其大小是蝌蚪的1%到10%，也必须靠游泳找到营养物和躲避捕食者。但是，把动量给予液体的宏观游泳策略对于微生物是无效的，因为在微尺度下流体的运动为低雷诺数运动，其黏性耗散超过了流体动量的影响。想象一下，一个人试图在糖浆中游泳：任何想把流体往后推而产生向前运动的努力都会被流体的黏性所阻止。细菌和其他微生物面临类似的情况，因为它们是如此微小，即使是水的黏性也足以胜过微生物微不足道的惯性。尽管面临这一挑战, 进化还是为微生物提供了一系列高效的游泳策略, 使微型游泳存在了数百万年。

自从进入21世纪，科学家和工程师已经开始研发模拟自然微型游泳者的人造物。人造微型游泳器是胶体颗粒，大小与细菌相当，一般是1~10微米，能在液体中自我推进。自然界的微型游泳者是通过驱动附属物如纤毛或鞭毛来游动的，但是人造微型游泳器通常没有运动部件，而是通过自身与环境之间发生化学反应来产生推进力。人们将胶体颗粒设计成可以进行复杂的行为和任务，所以，研究人员在积极研究其各种重要的实际应用，从水处理到输送药物等。

人们对体内移动的微型自驱动器具的构想着迷已久。1959年，著名物理学家费曼在美国加州理工学院的演讲“微观世界有无垠的空间”中，设想有朝一日可以“吞下外科医生”。他挑战科学界设计一种自驱动微马达，能够缩进到边长1/64英寸的立方体中。非科学人士也同样着迷于此构想。1966年的科幻电影《神奇旅程》描绘了一群科学家把自己和潜水艇缩小到细胞那么小，从而能够进入到一位同事的血管中，清除他的脑血栓。

纳米技术用了几十年的时间赶上这一愿景；直到21世纪初，研究者才得以成功创造人造微型游泳器。通过高超的微纳米加工技术，大约有十几种自驱动颗粒的设计已经变成现实。

微尺度下的运动

1956年，生物化学家彼得·米切尔（Peter Mitchell）提出，一些微生物可能通过非机械手段、不使用任何运动部件就能实现自我推进。他假设，如果一个细菌能够不对称地泵送离子穿过其细胞膜，这样离子就会从细胞的一侧被抽出去，而从细胞的另一侧回流，由此就形成了一个电路，如图1所示。离子会从细菌细胞体的尾部流动到前方，而在相反方向离子则会穿过邻近细胞膜表面的流体。用这种方式，微生物就能前进，用米切尔的描述是：“就像坦克一样的履带式移动”。利用不对称的离子泵，微生物至少原理上无须鞭毛就可以游动。

图1 生物化学家彼得·米切尔提出的解释细菌游泳原理的电动机制

泳动（Phoresis）是指由于电位、溶质浓度、温度等某一特定参量存在梯度而导致细胞或颗粒运动的现象，分别称为电泳（electrophoresis）、扩散泳动（diffusiophoresis）、热泳（thermophoresis）等。这是微米尺度下的常见运输模式。当颗粒或细胞本身产生了诱导其运动的梯度，形成相应的运动，就会发生泳动自驱动。米切尔把他提出的细菌游泳机制称为“自电泳”（self-electrophoresis）。

自从米切尔提出这个概念以后，若干科学家已经力图确定是否有微生物通过自电泳的方式进行运动。20世纪80年代，人们发现一种叫作聚球藻的海洋蓝藻即使没有可见的附肢，也可以在海水中游动。一些科学家假设聚球藻通过自电泳的机制来游动，但是后来的实验测量表明，这种微生物缺乏可察觉的表面电荷，因此无法在外加或自生的电场作用下运动。驱动聚球藻运动的推进机制仍然悬而未决。

尽管没有发现结论性证据，至少还没有发现任何微生物使用自电泳的推动机制的证据，但是，在工程系统中，通过电泳、扩散泳动和热泳的自驱动能够且确实存在。人造微型游泳器是通过表面化学反应在其附近产生化学、电位或热量梯度的微尺度颗粒。要发生运动，至少需要一个参量存在不对称性。比如，电位、温度或浓度，而且这种不对称性一般是通过颗粒表面的不均匀排列产生的。大多数泳动人造微型游泳器具有不同化学特性的正反面，被称为“雅努斯颗粒”（Janus particles）。雅努斯是罗马神话中的双面门神，他的头部前后有两副面孔，一副回顾过去，一副眺望未来。

运动的微电池

尽管尚未在自然界中明确观察到自电泳现象，但是，自电泳是在人造微型游泳器中实现的首个机制。2004年，沃尔特·帕克斯顿（Walter Paxton）、艾斯曼·森（Ayusman Sen）、托马斯·马卢克（Thomas Mallouk）及其美国宾夕法尼亚大学的同事引入了自泳动双金属棒（autophoretic bimetallic rods）。这种圆柱形颗粒长2微米、直径200纳米，由两段金属棒相连而成。此类人造微型游泳器中的金属一般是金和铂，不过也可以使用其他金属组合。每个金属棒发挥了微型电池的作用，铂充当阳极，金充当阴极。当把双金属棒置于过氧化氢溶液中，每个表面发生的电化学反应产生了自阳极向阴极流过金属棒的电子电流，并且在电解质中产生了互补的离子电流。阳极发生的氧化反应把阳离子注入溶液中，而阴极发生的还原反应则消耗阳离子。因此，这种反应模式类似于米切尔提出的模式，如图1所描述。

电化学反应驱动了金属棒的运动。这些反应的产物（如图2所示）导致铂端周围的流体带上正电荷，而金端周围的流体带上负电荷，从而在流体中产生了一个电偶极子和一个伴生电场。颗粒最终受到自生电场的驱动，是因为电场对金属棒周围双电层的正电荷的流体和带负电荷的金属棒本身施加了作用力。带正电荷的流体向后流向阴极，而带负电荷的金属棒则以阳极朝前的方式运动。与电池类似的是，金属棒把储存在过氧化氢分子中的化学能转化为电能；与电池不同的是，它们继而会把电能转化为动能。

当创造自电泳颗粒时，并没有特别限定这种颗粒是铂还是金。由其他金属制成的金属棒也可以在过氧化氢溶液中实现自驱动，在每种情形下，对电子亲和力较小的金属会在运动过程中面向前进的方向。对于金-铂双金属棒来说，铂端总是引领金属棒的运动。而且，两个金属间的电子亲和力的差异越大，电子迁移的驱动力越大，游泳速度也越快。因此，电化学测量可以预测双金属棒自驱动运动的方向和速度。

图2 铂-金双金属棒在过氧化氢溶液中发生了自电泳

研究者已经在其他工程系统中观察到利用相同物理原理和不同能量源的自电泳现象。例如，碳纤维（大约长1厘米、直径7微米）在葡萄糖溶液中的自驱动也是同样的机理。阳极涂覆能分解葡萄糖的催化剂，阴极涂覆另一种不同的催化剂，电子通过碳纤维传导，氢离子从阳极向阴极迁移。氧气与氢离子和电子在阴极结合而生成水。如果金属棒两端的电连接断开，借助自电泳机制实现的自驱动运动就会停止。

水和紫外线也可以用作自电泳的能量源。在紫外线照射下，一半镀金的二氧化钛微球可以在纯净水中自我推进，二氧化钛端朝着前进的方向。当二氧化钛在紫外线照射下，会发生电子-空穴的分离。朝着二氧化钛导带移动的电子比它们在金端可能具有的能量更高，所以电子电流从二氧化钛端流向金端。与此同时，电化学电荷迁移反应在二氧化钛和金表面发生，并产生自生电场推动自驱动运动。

人造微型游泳器（包括自电泳的微型游泳器）可以通过工程方法实现超过1毫米（100个自身长度）每秒的游动速度。相比之下，法拉利488跑车的最大行驶速度是205英里/小时，也就是大约只有每秒20个跑车长度。颗粒的运动速度一般随着燃料浓度的增加而增加，因为驱动运动的燃料浓度越高，反应速度越快。在燃料浓度足够高时，颗粒的运动速度趋于平稳，主要是由于两个原因：首先，金属表面上可发生反应的点的数量是有限的；其次，大多数反应会产生氧或氢分子的气泡，当反应速度很快时，气泡会堵塞颗粒的反应表面。

自电泳微型游泳器的一个缺点是：它们必须在盐度很低的含水体系中运行。实验中，即使是低浓度的溶解盐也会大大降低游泳器的速度。不同盐度下的计算机模拟显示，溶解盐会减小自生电场的大小、反应速率和颗粒表面电荷。颗粒运动速度大致与溶液的导电性成反比。当盐浓度高于很小的1 毫摩尔每升的浓度时，铂-金双金属棒的运动就变得几乎和布朗运动没有区别。尽管如此，自电泳微型游泳器仍用于一些低盐度的应用，比如基于运动的水污染物检测和去除。

更中性的动力源

泳动运动发生的前提是形成某个参量的梯度场，但不一定是电位梯度。当一个物体因化学浓度梯度而发生相应的运动时，就会发生扩散泳动。当物体本身产生梯度时，物体的运动就变成了自扩散泳动。不像电泳，扩散泳动可以在中性和带电溶质的梯度场发生，但是，大多数研究关注的是中性溶质。人们认为：扩散泳动自然发生在李斯特菌的移动中，也发生在通过使用肌动蛋白的不对称聚合的一些细胞的移动中。

自扩散泳动要求游泳器诱导溶质产生不均匀的浓度，这通常通过不对称的表面反应，如图3所描述。颗粒周围的溶质浓度的不对称性导致溶质和颗粒之间的不平衡作用力。溶质和颗粒之间常见的相互作用力源于位阻排斥、水合力、范德华力和静电作用。这些力往往相对较弱，所以自扩散泳动游泳器一般比自电泳颗粒运动慢很多。

通过自扩散泳动进行游泳的设想最早于2005年提出，大致和研究者开始对自电泳铂-金双金属棒运动的研究是在相同时期。拉明·戈尔斯塔尼安（Ramin Golestanian）及其英国谢菲尔德大学的合作者提出，如果球形颗粒表面上的单个反应位点不断产生不带电荷的产物颗粒或分子，则它可以产生中性溶质梯度。他们用关于反应速率的函数计算出了球形颗粒的游泳速度。在这个机制提出后不久，发现了一个自扩散泳动的候选系统，该系统使用一半镀铂的绝缘微球，以绝缘半球朝前、镀铂半球朝后的前进方式，在过氧化氢溶液中自驱动。这些游泳器的主导互动机制是颗粒和铂表面过氧化物分解反应产生的氧气分子之间的位阻排斥。由于颗粒与溶质的相互作用是互相排斥的，颗粒朝着溶质浓度低的方向运动。

此后，研究人员又研发出其他类型的活性颗粒，其显示出更明确的自扩散泳动。其中一个系统使用金-二氧化硅双面神微球，并且在二氧化硅半球上带有催化剂。当游泳器浸入单体溶液中，催化剂使单体在受到催化的二氧化硅表面形成聚合物链，反过来，降低了颗粒一侧的单体的局部浓度。不对称聚合导致了游泳器周围的单体产生浓度梯度，使得游泳器从较高浓度的一端朝着发生聚合的一端推进，同样是通过位阻排斥的相互作用。

图3 自扩散泳动可以在中性溶质浓度梯度中推进颗粒

自热泳

自热泳是对热泳的自发模拟，颗粒或细胞由于存在温度梯度而发生运动。在气体中，热泳相对直截了当。当颗粒浸入存在温度梯度的气体中，在颗粒的更热一端的高温气体分子与颗粒表面发生更频繁、动量更大的碰撞，所以它们推动物体朝着温度降低的方向运动。

在液体中，颗粒一般朝着温度更低的方向运动，和气体中的情况一样；但是，如果通过增加总体平均温度或加盐或表面活性剂来改变环境，则会导致颗粒朝着温度更高的方向运动。液体中的热泳的确切机制是研究者正在积极研究的课题。像其他自发的过程一样，自热泳必须由系统的吉布斯自由能的减少来驱动。悬浮胶体颗粒的能量的两个主要来源是水合力和表面的离子屏蔽（ionic shielding）。在温度较低和电解质浓度较高的情况下，水合熵（hydration entropy）起主导作用，朝着较温暖区域的运动变得在热力学上有利。在室温和电解质浓度较低的情况下，离子屏蔽发挥更大作用，胶体颗粒往往朝着温度较低的区域运动。

同其他类型的泳动自驱动一样，自热泳一般发生于不对称排列的胶体颗粒。自热泳系统的原型是由红外激光驱动的金-绝缘体双面神颗粒。这种颗粒的制备方法是：取二氧化硅或聚苯乙烯微球，在每个球体的一半表面上溅射镀金。金属侧优先吸收红外辐射，变得比绝缘侧更热，温差在周围溶液中产生温度梯度并使颗粒运动。

激光驱动的自热泳微型游泳器的速度随着红外光的强度增加而增加，当红外光关闭时，微型游泳器的运动也就停止了。用这种方式，停止和前进这两种运动状态在纯净水中可以实现。不使用化学燃料的另一个优点是：理想状态下，只要提供红外光，运动就能无限持续。

复杂和集体行为

在显微镜下，游泳颗粒的行为与能动菌（motile bacteria）等微生物类似。它们定期改变游泳方向，并且与固体表面以及其他颗粒发生相互作用。而且，与一些细菌一样，人造游泳颗粒会对不均匀的溶质浓度、温度和电磁场做出反应。因为上述这些显而易见的相似性，研究者付出了很大努力来研究人造游泳器的复杂和集体运动。

所有微米尺度的悬浮颗粒都会发生布朗运动，这会导致它们由于热波动而发生随机的平移和旋转。另外，自驱动颗粒还会发生线性运动，附加到它们的平移和旋转的布朗运动上。这种运动叠加导致游泳颗粒持续运动，但是朝着随意的方向，所以它们比自由扩散的颗粒的运动范围更大。图4对布朗粒子和人造游泳器的轨迹进行比较，表明人造游泳器具有更大的扩散性。在10分钟内，被动颗粒可以扩散到35平方微米的区域，而类似的游泳颗粒可以探索大于1平方毫米的区域。游泳颗粒的这种扩散能力可以用于比如输送药物到人体的某一区域，并且目标是广泛散布药物。

尽管大多数研究报告指出，人造微型游泳器在随机扰动下以相对直线运动，其实它们也表现出了以严格圆形方式游泳的能力。它们由于其无意或有意的几何不对称性而进行圆形游动。当颗粒游动时，这种不对称性导致一侧的黏性阻力比另一侧更大，所以颗粒持续朝着一个方向转动。在短时间内，圆形游泳器表现出了游泳器的大扩散性，但是久而久之，它们的有效扩散性就会下降，因为它们游完一整圈后，几乎会游回到起初的位置。

颗粒的游动方向可以利用外部施加的场进行控制。嵌入磁性部分的游泳器将根据外部磁场做出排列。微型游泳器自身仍然会产生推进力，但是，会沿着与磁场一致的方向运动。通过把这两种机制结合起来，游泳器可以被引导成预定运动模式，如微流体通道；这让人想起电影《神奇旅程》中，潜水艇穿过病人简·贝内斯（Jan Benes）的毛细血管。

若干研究表明，游泳器还能利用同样的磁性部分挑拣顺磁颗粒并将其搬运到另一个位置，如图4b所示。像蚂蚁一样，人造微型游泳器能够搬运大小是自身30倍的货物。因为游泳器的雷诺数很低，所以是货物的大小而非重量决定了其黏性阻力。人造微型游泳器的货物运输能力已经用于分选细胞或递送载药聚合物颗粒等用途。

图4

游泳器通过水动力、静电力和泳动力（phoretic forces）与表面和其他颗粒发生相互作用。远程水动力可以驱使游泳器趋向微观特征，使它们沿着亚微米尺度边缘的边界运动，以及在较大的固定球体周围以间歇的圆形方式运动，如图4c中的金属棒那样。游泳器产生的化学场和电场是短程的，所以它们只能影响游泳器与附近的表面或颗粒的相互作用。颗粒间相互作用可能是吸引力，导致颗粒聚集；也可能是排斥力，导致颗粒分散；并且相互作用的类型可取决于颗粒及其伴生场的相对排列。

实验已经表明，自泳动颗粒会显现出趋向性（taxis），趋向性是指微生物感受外部刺激（通常是光或营养物的存在）时，向其运动或躲避的能力。像一些鱼类一样，人造游泳器可以表现出积极的趋流性（rheotaxis），在流体流动中逆流迁移。它们向上游游动的行为源于黏性剪切流引起的扭矩，该扭矩持续使颗粒的游动方向逆流。泳动颗粒也会显示出正向趋重力性（positive gravitaxis），逆着重力的方向向上游动。在这种情况下，颗粒在几何上或化学上是各向异性的。在两种情况下，不对称性都会导致质心的位移，并产生使颗粒与重力场保持一致的扭矩。这样的行为可用于设计在循环系统中向上游游动来输送药物，或是游到水体表面来补救有毒物质泄漏的颗粒。

在医学和环境中的应用

现在，人们正在开发人造微型游泳器在医学方面的应用。体内环境对此提出了挑战，因为对于驱动游泳器运动的机制而言，体内环境往往不如原始的体外环境友好。很多游泳器需要燃料，例如过氧化氢，大多数动物在游泳器游动所需的浓度下不能很好地耐受过氧化氢。此外，体内条件通常是咸的，生物介质中的平均盐浓度大约为0.1摩尔/升，这就排除了自电泳作为游泳机制的可能性。

要在上述环境中推进微型游泳器，就需要替代的游泳机制。锌、铝和镁微型游泳器溶解在弱酸性含水条件下并产生氢气泡，从而推动游泳器前进，如图5所示。它们不是泳动的，而是由分离气泡产生的反冲力来推动。不像泳动的微型游泳器，气泡推进的颗粒不易受溶解盐的影响，这是这种颗粒应用于生物体的主要优点。

来自美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）的约瑟夫·王（Joseph Wang）研究组的几项概念验证研究表明，可以在体内使用酸性水驱动的气泡游泳器来为小鼠输送有效治疗荷载。他们利用镁颗粒溶解在胃酸中产生的气泡来推进镁颗粒。镁颗粒涂有抗生素药物克拉霉素，这种药物用于人类对抗胃和小肠上段的幽门螺杆菌感染。此外，微型游泳器也用于在小鼠胃肠道输送药物（见图4d）。这个过程依赖于给游泳器裹上一层耐酸的肠溶包衣，包衣在肠道更加中性的pH环境下会降解。游泳器穿过胃而不变，但一旦肠溶包衣脱落，就会变得能动；包衣脱落和游泳器变得能动的点取决于包衣的厚度。

图5 气泡推进的微型游泳器

克里斯蒂安·卡斯特鲁普（Christian Kastrup）及其加拿大不列颠哥伦比亚大学的合作者使用其他自驱动微型游泳器将凝血剂输送到小鼠和猪的严重出血部位。他们使用的颗粒由碳酸盐和氨甲环酸制成，使用气泡推进将凝血酶（一种血液凝固剂）输送到伤口血管系统之内几毫米处。当加载活性凝血酶时，颗粒止住了多种动物模型中的术中和创伤性出血的严重出血。

设计出解决石油泄漏的补救等环境挑战的游泳器也是可能的。当涂有不对称疏水涂层的镁颗粒与分散在海水中的微米级油滴放置在一起时，镁颗粒游过悬浮液，而油滴吸附在游泳器的疏水表面上。通过分解海水产生氢气泡来推进颗粒，类似于上面提到的胃酸推进的游泳器。如果把铁磁金属结合到颗粒中，则可以对颗粒进行引导、收集和再利用。

微型游泳器还可以通过将其用作燃料来清除化学污染物。钯基游泳器可以利用催化还原反应，将有毒的硝基芳香族化合物（来自染料和农药工业生产的持久、不可生物降解的污染物）转化为无毒副产品。类似，在有光的情况下，二氧化钛颗粒使用光催化反应来破坏球芽孢杆菌孢子（与炭疽芽孢杆菌类似），从而将有机磷化合物化学毒剂降解成无害的副产物。

人造微型自驱动颗粒可以自发地与局部环境相互作用，发挥有用的功能，这听起来就像是热门科幻电影的素材。研究人员在理解驱动人造微型游泳器的物理学原理，以及研发在各种现实条件下运行的游泳器方面取得了很大进展。但是，关于游泳器的自驱动机制仍有许多未解决的问题。随着人造微型游泳器的种类增多，它们的一般原理得到更好的理解，其在人类健康和环境方面的应用数量将会迅速增长。