一种液态金属人工细胞及其制备方法与流程

本发明属于仿生技术领域，具体涉及一种可部分模拟生物细胞环境响应功能的液态金属人工细胞及其制作方法。

背景技术：

无论植物还是动物，对整个地球乃至星球上的物体而言，生物体都是最为复杂的物质。历经数十亿年的演化，生物体超越于所有其他物质最根本的就在于其活性上。我们知道，构成生物体最基本的要素之一就在于细胞。细胞是生命结构和功能的基本单元。比如人体共约有40万亿—60万亿个平均直径在10—20微米之间的细胞，且种类繁多，如最大的成熟卵细胞，直径在200微米左右；最小的是血小板，直径只有约2微米，其他还有白细胞、红细胞、神经细胞。哺乳动物的除了成熟的红血球和血小板外，所有的细胞都至少有一个细胞核，旨在调节细胞生命活动。有些细胞尺寸远远大于上述，如未受精的鸡蛋在一定程度上也可简单看着一个细胞。而与动物细胞不同的是，植物细胞存在细胞壁，其他内部细胞器和组分均存在一定区别。但无论差异如何，从一般意义上讲，构成动物体或植物体的细胞有基本相同的结构体系与功能体系。不少重要的细胞器与细胞结构，如细胞膜、核膜、染色质、核仁、线粒体、高尔基体、内质网、核糖体、微管与微丝等，在不同细胞中不仅形态结构和成分相同，功能也一样。可以说，正是这些基本的细胞结构、组织和功能构成了地球上一个鲜活丰富的世界。无疑，若能通过实验室手段制造出一定功能的细胞，将实现人工机器制造和构筑的突破。显然，细胞最经典的结构就是由细胞膜和内容物构成的，这种组合结构对于仿生学有重大启示。迄今，通过纯人工合成的途径还无法实现细胞，现在已能人工造出最简单的磷脂双层膜，但离真正的细胞膜还相距甚远，而对于细胞内其他机构的人工模拟也存在类似瓶颈。不过，在当前的技术阶段，仿生学虽未能全部重现自然界的生物功能，但在一定程度上可部分接近和模拟生物世界。

近年来，随着一些基础效应的发现，液态金属在实现柔性机器方面取得很大进展。比如，本团队于2015年3月初，在《先进材料》上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”的研究论文(J.Zhang,Y.Y.Yao,L.Sheng,J.Liu,Self-fueled biomimetic liquid metal mollusk,Advanced Materials,vol.27,pp.2648-2655,2015)，在世界上首次报道了一种异常独特的现象和机制，即液态金属如镓基液态合金可在吞食少量物质如“摄入”铝作为燃料后以可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如：能“吃”食物(燃料)，自主运动，可变形，具备一定代谢功能(化学反应)，因此我们将其命名为液态金属软体动物。造成这些变形与运动的机制之一在于液态金属与水体交界面上的双电层效应。然而，这种机器实际上还主要是一团合金流体，尚不具备生物体最基本单元即细胞的基本功能，比如对外界有一定的感知和传感。考虑到液态金属与水体交界面上的双电层效应，易于对外界的电、磁、声、光、热乃至化学效应产生响应，由此可发展出一定的智能响应对象。为此，本发明旨在由此机制出发提供结构和功能上可部分模拟生物细胞的液态金属人工细胞及其制作方法。

技术实现要素：

基于对液态金属基础效应的发现，本发明的目的是从一种崭新的技术角度，提供可部分模拟生物细胞功能的液态金属人工细胞。

本发明的另一目的是提供一种液态金属人工细胞的制备方法。

实现本发明目的的技术方案为：

一种液态金属人工细胞，包括半透膜、液态金属和电解质；所述半透膜围成封闭的腔体，液态金属和电解质位于腔体内。

其中，所述半透膜的材质为生物细胞膜、膀胱膜、羊皮纸、鸡蛋膜、石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、聚四氟乙烯透气膜、乙基乙烯膜、环氧乙烷膜以及人工制的胶棉薄膜中的一种；所述半透膜围成的腔体的形状为球形、扁圆形、椭圆球形或长圆柱形，腔体的尺寸为10μm～2cm。

其中，所述液态金属为金属单质镓、二元合金、三元合金中的一种或多种，其中所述二元合金为镓铟、镓锡、镓锌合金中的一种或几种，所述三元合金为镓铟锡、镓铟锌、镓锡锌合金中的一种或几种。

其中，所述电解质为氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、硫酸和硝酸的水溶液中的一种，溶液的浓度为0.1～5mol/L。

进一步地，所述半透膜的腔体内还含有添加物，所述添加物为尺寸在10nm到1000μm之间的铜、铟、锡、锌、银、铁、镍、锰、钴、镁、铝中的一种或多种金属的颗粒；或为硅、二氧化硅、石墨、石墨烯、塑料、橡胶材料中的一种或多种的颗粒，添加物的质量占电解质质量的1～20％。

更进一步地，所述金属的颗粒表面有铜、铟、锡、锌、银、铁、镍、锰、钴、镁、铝其中一种或几种的包覆层，或有非金属包覆层。

所述的液态金属人工细胞的制备方法，包括步骤：

1)取半透膜材料，弯成球形并用胶粘、缝制或束紧的方式制作成封闭腔，即获得封闭的半透膜空间；

2)采用注射针，抽取电解质溶液，之后刺穿半透膜，将电解质注入；

3)配制好液态金属，采用注射针，抽取液态金属后刺穿半透膜，将液态金属注入。电解质和液态金属的体积占半透膜封闭的空间的20～90％。

所述注射针的针头直径为1～500微米。针头直径在1微米～50微米的微米针，以及100～500微米的针头均可市购。

所述的液态金属人工细胞的制备方法，还包括步骤：

4)用注射针抽取内含添加物的电解质悬液，之后刺穿半透膜，将悬液注入。由此即得到封闭有相应复合液体物质的液态金属人工细胞。

进一步地，所述的液态金属人工细胞的制备方法，将制备得到的人工细胞堆叠并固定组装在一起，获得集合性的细胞组合体。

本发明所述的液态金属人工细胞在生物传感器、仿生元件中的应用。

本发明的有益效果在于：

本发明首次引入了液态金属人工细胞的技术概念，创造了一种集半透膜、液态金属、电解质溶液乃至更多功能材料于一体的复合器件体系，显著扩展了人工细胞及液态金属的既有认识，可部分模拟自然界的细胞功能，进一步可用于组装出功能更复杂的人工机器。迄今，国内外文献中尚未见有利用液态金属实现人工细胞的研究报道。本发明首次提供并建立了一种构建液态金属人工细胞的技术体系。

附图说明

图1是本发明实施例1一种类卵母细胞的球形液态金属人工细胞的结构示意图；

图2是本发明实施例2一种类红细胞的扁平状液态金属人工细胞的结构示意图；

图3是本发明实施例3一种类神经元的长轴形液态金属人工细胞的结构示意图；

图4是本发明实施例4一种细胞组合体结构示意图；

图5是本发明实施例6一种包含添加物在内的细胞组合体结构示意图。

图中：1为半透膜；2为液态金属；3为添加物；4为电解质溶液。

具体实施方式

以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1：

图1是本发明一种实施方式的液态金属人工细胞的结构示意图；所述液态金属人工细胞包括：半透膜1、液态金属2和电解质溶液4；

所述半透膜1为封闭腔体结构，内部盛放有液态金属2和电解质溶液4，由此实现类生物细胞的环境响应功能。

所述半透膜2为只允许水分子透过、而不允许溶质通过的膜材料聚四氟乙烯透气膜。本实施例中所述半透膜1设计为球形，直径2cm，用以模拟卵母细胞形封闭腔体。为保证所述液态金属2处于液态，所述液态金属2采用低熔点金属，也就是说，所述液态金属2的熔点低于100℃。

在本实施例具体实现中，所述液态金属2的质量为2g，为熔点11℃的镓铟锡合金，电解液4为0.5mol/L的氢氧化钠溶液，体积为2mL；可理解的是，由于熔点11℃的镓铟锡合金在常温状态下为液态，故而，无需进行加热即可实现。

制备过程为：

1)取半透膜材料，弯成球形并用胶粘的方式制作成封闭腔，胶粘的过程为：聚四氟乙烯膜用表面处理剂(阿拉晨光氟塑料厂)处理10min，用丙酮清洗后用环氧胶粘接，即获得封闭的半透膜空间；

2)采用注射针(直径2微米，购自深圳通力微纳)，抽取电解质溶液，之后刺穿半透膜，将电解质注入；

3)配制好液态金属，采用注射针，抽取液态金属后刺穿半透膜，将液态金属注入。

实施例2：

图2是本发明一种实施方式的液态金属人工细胞的结构示意图。本实施例的人工细胞形状呈现扁平圆盘状红细胞，所用电解质溶液4为浓度为0.3mol/L的氢氧化钠溶液。其余组分和制作方法与实施例1一致。这里，之所以采用扁平圆盘状的半透膜结构，主要是模拟血红细胞。

实施例3：

图3是本发明一种实施方式的液态金属人工细胞的结构示意图。本实施例除了形状呈长轴形外，其余组分和制作方法与实施例1完全一致。这里，之所以采用长轴形状的半透膜结构，主要是模拟神经元的结构。进一步的，还可设置树枝状结构，此处未画出。

实施例4：

图4是本发明一种实施方式的液态金属人工细胞的结构示意图。本实施例是多个细胞的组合体，其单个细胞的组分和制作方法与实施例1完全一致。

实施例5：

本实施例是多个细胞的组合体(图形未画出)，与实施例4基本一致，但采用的是实施例3得到的类神经元细胞组合体，用以模拟神经计算。

实施例6：

图5是本发明一种实施方式的液态金属人工细胞的结构示意图。本实施例形状上与实施例1完全一致，但在组分和制作方法与实施例1略有区别。这里，半透膜内还添加了添加物3比如直径在500nm的铜或铝颗粒，添加物的质量占电解质溶液质量的10％，以实现更多功能和行为。添加物3可根据实际需要加载到半透膜1内的电解液4环境中或液态金属2内。

实施例7：

本实施例与实施例4基本一致，只是添加物3为金属细丝，比如直径500nm，长度1cm的铜丝。

实施例8：

半透膜2为聚四氟乙烯透气膜。本实施例中所述半透膜1设计为球形，直径1cm，用以模拟卵母细胞形封闭腔体。所述液态金属2的质量为0.2g，为熔点11℃的镓铟锡合金，电解液4为0.2mol/L的氢氧化钠溶液，体积为0.3mL。

制备过程为：

1)取半透膜材料，弯成球形，用细尼龙丝束成封闭腔，获得球形的半透膜空间；

2)采用注射针(4#针头)抽取电解质溶液，之后刺穿半透膜束口，将电解质注入；

3)配制好液态金属，采用注射针(4#针头)，抽取液态金属后刺穿半透膜束口，将液态金属注入。

银丝作为除端部外其余表面均绝缘的工作电极，其端部的银丝裸露0.3mm，后面用聚四氟乙烯材料包覆，通过半透膜束口插入到液态金属中，然后束紧半透膜；另一根银丝为对电极，贴在半透膜外表面，工作电极和对电极与电化学工作站连接，构成两电极体系，检测本液态金属人工细胞对电信号的响应。

以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。