[发明专利]具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法

说明书

本发明提供了具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法，所述微驱动器是由聚合物基体材料和纳米磁性催化颗粒组成的微颗粒，纳米磁性催化颗粒由磁性纳米颗粒和负载在磁性纳米颗粒上的催化剂组成，聚合物基体材料中具有微米级孔和纳米级孔，微米级孔由两个球形空腔连通形成且两个球形空腔均开口于微颗粒表面，纳米磁性催化颗粒分布在其中一个球形空腔在微颗粒表面的开口处周围的聚合物基体材料中。本发明可在提高微驱动器的功能表面积的同时提高其传质速率，增加污染物的捕获及降解效率，同时可简化微驱动器的制备工艺、降低生产成本和实现连续生产。

技术领域

本发明属于微驱动器领域，涉及一种具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器及其制备方法。

背景技术

近年来，能利用化学能来实现自驱动的微驱动器在水修复、药物传送、货物运输、检测与分析、环境监测等领域都受到了广泛关注。具有分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器在高效水处理方面具有重要的作用，其气泡推进型运动可以促进传质、其分级式多孔结构可有效地捕捉污染物。这些微驱动器通过利用Ag、Mg、Zn、Pt以及过氧化氢酶等活性物质来分解化学燃料形成气泡，通过气泡推动型运动来强化流体湍动，从而有效降解或捕获污染物。

气泡推进型微驱动器通常可通过基于对其能分解化学物质产生气泡的“活性”材料和不能分解化学物质产生气泡的“惰性”材料进行非对称结构设计来制备。如DanielaA.Wilson等通过透析将球型聚合物囊泡变形为口型红细胞状结构，制备得到了内腔中包裹有Pb纳米颗粒和过氧化氢酶等活性材料的超分子微驱动器。但这种方法受限于较窄的材料选择范围以及较低的活性材料封装率，并且在这种聚合物囊泡微驱动器中难以构建分级式多孔结构。与上述方法相比，更常用方法是通过基于电化学或无电镀的沉积技术以及薄膜卷曲技术来制备气泡推进型微驱动器。通过将不同的惰性材料和活性材料先后沉积在牺牲层薄膜模板的直通孔内再去除膜模板，或者沉积在牺牲层基材上再去除基材进行薄膜卷曲，可以制备出具有活性物质内层的管状微驱动器。由于这种方法制备的管状微驱动器的管壁很薄，因此在其管壁中难以构建分级式多孔结构。通过在颗粒模板(如多孔碳微球和多孔SiO₂微球)的上半部分选择性地涂覆活性材料，可制备得到半球表面具有活性物质的Janus型微驱动器。相反地，通过在活性材料颗粒的上半部分涂覆惰性材料亦可以制备得到暴露出下半部分活性材料半球的微驱动器。然而，这些基于沉积或薄膜卷曲的方法通常需要复杂的多步工艺来设计微驱动器的非对称结构。利用微流控技术对多重乳液液滴尺寸、结构和组成的精确控制，可以在乳液各相中精巧地结合活性材料和惰性材料，以连续地一步模板合成气泡推进型微驱动器。例如，通过以内含Fe@Pt纳米颗粒的乳液液滴为模板，可制备出底部组装结合有Fe@Pt纳米颗粒的球形壳聚糖微驱动器。使用各相中含有不同功能纳米颗粒的θ形乳液液滴作为模板，可制备出顶部表面具有TiO₂纳米颗粒、底部表面具有银纳米颗粒的非球形聚合物微驱动器。然而，如上所述，虽然使用不同方法已制备出了多种气泡推进型微驱动器，但它们不具备分级式多孔结构，且往往需要复杂的多步制备方法。

具有微米/纳米分级式多孔结构的微颗粒驱动器，其纳米尺寸的孔能为分子与多孔结构间的相互作用提供较大的功能比表面积；而其微米尺寸的孔则对分子(特别是生物大分子)具有较小的流体动力学阻力，有利于生物大分子快速进出其多孔结构。因此，开发出具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微颗粒驱动器，其分级式多孔结构结构既能增大功能表面积又能提高传质速率，对提高污染物的捕获及降解效率将产生积极的意义，在水处理领域具有很大的应用前景。若能开发出工艺简单、成本低廉的方法实现具有可控的微米/纳米分级式多孔结构结构的气泡推进型微颗粒驱动器的连续制备，对于气泡推进型微驱动器的推广应用将产生积极的推动作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器，以在提高微驱动器功能表面积的同时提高其传质速率，从而提高污染物的捕获及降解效率，本发明的目的之二是提供具有微米/纳米分级式多孔结构的气泡推进型微驱动器的制备方法，以简化制备工艺、降低生产成本和实现连续生产。