一种微管机器人及其组装、驱动及径向挤压方法

本发明涉及微管机器人的组装和操纵方法，具体为一种微管机器人及其组装、驱动及径向挤压方法。

背景技术：

1、独立个体的复杂组装和解散过程可以实现高级功能，比如生物膜中的微管，可以作为细胞内蛋白质运输的路径，并且调节细胞的动态迁移。胶体是一种理想的人工组装单元，但目前研究中形成的微管结构并不具备自然微管所具有的复杂功能。尤其对于各向同性的组装单元(球体)形成的聚集体，如微管这样复杂的结构，还未被报道。

2、目前现有的人工制备的微管结构，如dna修饰的janus颗粒形成的封闭环(j.s.oh等，nat.commun.10,3936(2019))、磁性janus棒形成的双极环和带状结构(j.yan等，nat.commun.4,1516(2013))以及椭圆形颗粒在电场作用下组装的管状微结构(j.j.crassous等，nat.commun.5,5516(2014))，功能简单单一，不具备径向反复挤压效果，仅适用于牛顿流体，应用范围有限。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种能够可逆重复组装、适用于牛顿或非牛顿流体、直径调控范围大的亚稳态微管机器人的组装方法，本发明的再一目的是提供一种能够精确控制驱动方向和速度的微管机器人驱动方法，本发明的又一目的是提供一种可重复的微管机器人的径向挤压方法。

2、技术方案：本发明所述的一种微管机器人的组装方法，包括以下步骤：

3、步骤一，在牛顿流体或非牛顿流体中，质量百分数为0.05～2wt.％、分散的顺磁性胶体微粒在振荡磁场作用下聚集形成二维的单层胶体膜；

4、步骤二，施加直流磁场并逐渐增加磁场强度，直流磁场与振荡磁场垂直，随着面内斥力的增加，单层胶体膜破裂成薄片，薄片由平行xy平面转变为垂直xy平面；

5、步骤三，施加进动磁场，薄片弯曲折叠，形成致密空心管状结构的微管机器人。

6、进一步地，磁性胶体微粒为氧化铁、四氧化三铁、铁及其复合材料的一种或多种。复合材料可以是非磁性材料的基底，后被涂覆，掺杂，植入顺磁性材料或其他方式处理成为顺磁性材料，优选为掺入氧化铁的聚苯乙烯胶体微粒。

7、进一步地，磁性胶体微粒的粒径为200nm～30μm。磁性胶体微粒直径越大，组成微管机器人所需的磁性胶体微粒数目越少。磁性胶体微粒分散液的浓度也影响组装微管机器人的直径和长度，磁性胶体微粒浓度越大，形成的胶体薄膜面积越大，最终组装为尺寸更大的微管机器人。因微管机器人尺寸可调因素很多，因此微管机器人也有较大的适用范围。如200nm微球可以组装为直径几微米的微管，可适用与生理系统；而较大尺寸的胶体微球可以组装成百微米级别的微管机器人用于较大直径货物的捕获和运输。

8、进一步地，磁性胶体微粒可进行表面修饰，如涂覆亲疏水材料、带正负电荷分子、抗菌材料、抗凝血材料、蛋白类材料、抗癌药物中的一种或多种。亲疏水材料或带正负电荷材料可以改变微球与基底表面的作用效果。抗菌材料为含银或银离子、季铵盐类、四环素、氟喹诺酮类中的一种或多种的抗菌材料。抗凝血材料为右旋糖酐、阿糖胞苷、氯吡格雷、阿司匹林或其他抗血小板材料。蛋白类材料通过物理吸附或共价偶合的方式将含有蛋白类涂层的表面与基底表面连接，包括选择素。抗癌类药物包括紫杉醇、多西他赛等，均可以通过功能化胶体微球表面进行连接，不对胶体微粒的磁性造成任何不良影响。微管机器人的磁性胶体微粒可用于向病人体内的某个位置提供放射治疗。例如，改变磁场以加热微型机器人，造成局部高热，实现治疗肿瘤疾病等效果。

9、进一步地，磁性胶体微粒的表面可以是光滑的，也可以聚合其他材料进行修饰，如镀金刺，增加微型机器人表面粗糙度，从而增加其转动平动效率。

10、进一步地，步骤一中，牛顿流体包括含有表面活性剂的去离子水，非牛顿流体包括绵羊全血，组装过程影响因素主要为流体黏度。其适用范围取决于顺磁性微球对磁场的响应程度。响应性较弱的顺磁性微球适用黏度较低的流体，反之可随顺磁性微球的响应程度增强流体黏度。

11、进一步地，步骤一中，振荡磁场为其中，bost为振荡磁场，bxy为xy平面交流磁场强度，ωm＝2πfm为旋转角速度，fm＝50hz为磁场频率，为磁场矢量方向。

12、进一步地，步骤二中，直流磁场其中，bz为z方向直流磁场强度，为磁场矢量方向。

13、进一步地，步骤三中，进动磁场其中，bprec为进动磁场，bxy为xy平面交流磁场强度，bz为z方向直流磁场强度，ωm＝2πfm为旋转角速度，fm＝20-50hz为磁场频率，为磁场矢量方向，arctan(bxy/bz)为8～20°。

14、上述组装方法所得微管机器人，是由顺磁性胶体微粒在磁场作用下组装成亚稳态中空管状结构，在撤去所有磁场后，所述微管机器人解散为顺磁性胶体微粒，可再次通过该组装方法实现重复组装。

15、本发明所述的一种微管机器人的驱动方法：施加驱动磁场bprec′为驱动磁场，byz为yz平面交流磁场强度，bx，by，bz为x或y或z方向直流磁场强度。ωm＝2πfm为旋转角速度，fm＝10-40hz为磁场频率，为磁场矢量方向。bz与(bx+by)比例控制微管相对于z轴倾斜程度θ，线性关系为微管驱动方向与直流磁场与磁场矢量和在xy平面上的投影方向相垂直；驱动磁场bprec′磁场强度调节倾斜微管旋转角速度ω。直径为r的微管，其位移速度v与旋转角速度ω关系为v～ωrsinθ。

16、本发明所述的一种微管机器人的径向挤压方法：在直流磁场存在的条件下，对微管机器人施加振荡磁场bost，微管机器人沿径向迅速压缩，压缩程度与振荡磁场bost磁场强度正相关，撤去振荡磁场bost，微管缓慢恢复原状。反复施加振荡磁场bost可实现微管循环挤压。

17、进一步地，所施加的磁场分量强度取决于所使用的磁性胶体微粒的磁响应性。如果胶体微粒有较强的磁响应性，那么较低的磁场强度就会对其产生作用效果。组装时间主要取决于胶体微粒的初始浓度，高浓度的胶体微粒有助于快速形成足够大的胶体膜结构，将更快地完成组装。

18、进一步地，产生磁场的装置包括ct或nmr这些大型设备中的磁铁，小型磁场设备的多个电磁线圈，通过对导电材料施加电流或电荷产生磁场的装置，多块磁铁等。磁场可以在三维方向(即x，y和z)上进行控制，因此通过调整磁场组分可灵活控制微管机器人的倾斜程度、旋转方向、旋转速度、位移方向。

19、制备原理：超顺磁性微球在特定磁场驱动下会表现出不同的聚集方式。当程序施加不同磁场组分时，组装体状态下的超顺磁性微球与单分散的超顺磁性微球会出现不同的聚集形式，从而实现程序施加磁场，组装非最低能量态的中空管状亚稳态结构的制备方式。

20、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

21、1、首次实现一维各向性微球到复杂的三维微管状微型机器人的亚稳态组装，该组装方法适用于牛顿流体和非牛顿流体，能够满足不同应用场景；

22、2、适用于不同尺寸的顺磁性或超顺磁性胶体微粒，组装得到的微管机器人直径有更大的调控范围；

23、3、该微管机器人的运动方式可通过磁场精确调控，磁场组分涉及直流场和交流场特定比列范围的组合；微管状空心机器人在磁场驱动下，在近壁面滚动，实现货物运输捕捉以及既定路线的精确控制，磁场可调控微管机器人的倾斜角度，转动角速度，移动方向，移动速度等，相较于其他同样以转动方式移动的微型机器人(转动-平动效率多在3％～10％)，微管机器人有更高的转动平动效率，约50％；

24、4、该微管机器人能够实现两种运载货物的方式，一种是无接触式货物运载方式，微管在滚动过程中形成涡流带动货物移动；另一种是通过磁场控制微管滚动到目标货物附近，调整磁场控制微管重新竖立，实现对目标货物的捕捉；

25、5、施加振荡磁场，微管机器人可以实现径向方向的往复压缩功能，当红细胞等软物体被困在微管中时，由于来自多个相邻质点间力的压缩力，在压缩过程中可能会出现可观察到的形变，因此，本技术中的微管机器人能够作为可移动微镊子，成为软胶囊释放药物的潜在工具。