میکرو-نانوموتورهای خودپیش‌رونده کاتالیزی: 1- اصول و طراحی هندسی

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی دانشگاه تهران

2 دانشگاه تهران

چکیده

میکرو-نانوموتورهای سنتزی، میکرو-نانوذرات عامل­دارشده­ای هستند که قابلیت حرکت خودبه­خود را دارند. میکرو-نانوموتورها حاصل شبیه‌سازی ریزساختارهای متحرک در طبیعت بوده که دارای مزیت کنترل‌پذیری حرکت هستند. میکرو-نانوموتورها انواع و کاربردهای مختلفی دارند که از جمله بی­نیاز به سوخت و نیازمند آن را می‌توان نام برد. انواع بی­نیاز به سوخت، با استفاده از تغییرات محیطی مانند افزایش دما در اثر گرمایش، میدان‌های مغناطیسی و فراصوت حرکت ‌می‌کنند. میکرو-نانوموتورهای کاتالیزی نظیر میکرو-نانوموتورهای برپایه پلاتین، رایج‌ترین انواع میکرو-نانوموتورهای نیازمند سوخت هستند. سوختی که در میکرو-نانوموتورهای پلاتینی استفاده می‌شود، هیدروژن پراکسید است که با تجزیه آن در سطح پلاتین انرژی لازم برای حرکت موتورها فراهم می­شود. میکرو-نانوموتورهای پلاتینی، ساختارها و هندسه‌های متفاوت شامل کروی، کاسه­ای­شکل، میله­ای، مخروطی، لوله­ای توخالی و پوسته‌ای دارند که سازوکار‌های حرکتی و سرعت‌های مختلف را در آن‌ها ایجاد می‌کنند. سرعت حرکت میکرو-نانوموتورهای پلاتینی، بازه بزرگی از سرعت‌های کم تا خیلی زیاد، از چند میکرومتر بر ثانیه تا چندصد میکرومتر بر ثانیه را شامل می‌شود. در این مقاله، ابتدا میکرو-نانوموتورهای پلاتینی معرفی و انواع آن ها ذکر شده است. همچنین، انواع سازوکارهای حرکتی شامل خودالکتروکوچ، خودکوچ­پخشی­ و حباب­رانشی توضیح داده شده­اند. سپس، مقایسه سرعت‌ها در سازوکار‌های حرکتی مختلف،  کاربردهای میکرو-نانوموتورها و چالش استفاده از نوع پلاتینی آن­ها در شرایط درون‌تنی نیز بحث شده‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Catalytic Self-Propelled Nano/Micromotors. I. Principles and Geometry Design

نویسندگان [English]

  • sepide khoee 1
  • Samaneh Moayeri 2
1 Tehran university
2 University of Tehran
چکیده [English]

Synthetic micro/nanomotors are functionalized micro/nanoparticles with the ability of
self-propelling motion. Synthetic micro/nanomotors are the mimic of mobile organisms
like bacteria in nature. Micro/nanomotors have different types such as fuel required micro/
nanomotors and fuel-free ones and various applications. Fuel-free micro/nanomotors move
through environmental changes like increasing in temperature by heating, magnetic and
ultrasonic fields, etc. Platinum-based micro/nanomotors are the most common types of micro/
nanomotors. Hydrogen peroxide is the fuel utilized in platinum-based micro/nanomotors.
The decomposition of hydrogen peroxide fuel on the platinum surface of synthetic micro/
nanomotors, supplies the required energy for motion of motors. Platinum-based micro/
nanomotors have different structures and geometrics include spherical, stomatocyte, rod,
tubular, and shell that that creates various motion mechanisms and speeds. The motion
speed of micro/nanomotors has a wide range of amounts from one micrometer per second
to hundreds micrometers per second. In this review, platinum-based micro/nanomotors and
their different types have been introduced. In addition, different mechanisms of motion
include self-electrophoresis, self-diffusiophoresis and bubble-propulsion mechanisms
have been discussed. Then, the comparison of velocities in different motion mechanisms,
applications of micro-nanomotors and the challenge of using their platinum type in in vivo
conditions were also mentioned.

کلیدواژه‌ها [English]

  • patinum-based micro/nanomotors
  • Bubble propulsion
  • Self-electrophoresis
  • Self-diffusiophoresis
  • drug delivery
1. Peng F., Men Y., Tu T., Chen Y., and Wilson D.A., Nanomotorbased Strategy for Enhanced Penetration across Vasculature
Model, Adv. Funct. Mater., 1-8, 28, 2018.
2. Liu L., Gao J., Wilson D.A., Tu Y., and Peng F., Fuel-free Micro-/nanomotors as Intelligent Therapeutic Agents, Chem.
Asian J., 14, 2325-2335, 2019.
3. Wang J., Dong R., Wu H., Cai Y., and Ren B., A Review on Artificial Micro/nanomotors for Cancer-Targeted Delivery,
Diagnosis, and Therapy, Nano-Micro Lett., 12, 11-30, 2020.
4. Pacheco M., López M.Á., Jurado-Sánchez B., and Escarpa A., Self-propelled Micromachines for Analytical Sensing: A
Critical Review, Anal. Bioanal. Chem., 411, 6561-6573, 2019.
5. Xu D., Zhan C., Sun Y., Dong Z., Wang G.P., and Ma X., Turn-number-dependent Motion Behavior of Catalytic Helical
Carbon Micro/Nanomotors, Chem. Asian J., 14, 2497-2502, 2019.
6. Medina-Sánchez M., Xu H., and Schmidt O.G., Micro-and Nano-motors: The New Generation of Drug Carriers, Ther.
Deliv., 9, 303-316, 2018.
7. Robotic Systems and Autonomous Platforms: Advances in Materials and Manufacturing, Walsh S.M., and Strano M.S.
(Eds.), Elsevier, Texas, 3-28, 2019.
8. Sonntag L., Simmchen J., and Magdanz V., Nano-and Micromotors Designed for Cancer Therapy, Molecules, 24,
10-44, 2019.
9. Kagan D., Laocharoensuk R., Zimmerman M., Clawson C., Balasubramanian S., Kang D., Bishop D. et al., Rapid Delivery
of Drug Carriers Propelled and Navigated by Catalytic Nanoshuttles, Small, 6, 2741-2747, 2010.
10. Golestanian R., Liverpool T.B., and Ajdari A., Propulsion of a Molecular Machine by Asymmetric Distribution of Reaction
Products, Phys. Rev. Lett., 94, 220-224, 2005.
11. Howse J.R., Jones R.A.L., Ryan A.J., Gough T., Vafabakhsh R., and Golestanian R., Self-motile Colloidal Particles: From
Directed Propulsion to Random Walk, Phys. Rev. Lett., 99, 102-106, 2007.
12. Wu Y., Lin X., Wu Z., Möhwald H., and He Q., Self-propelled Polymer Multilayer Janus Capsules for Effective Drug
Delivery and Light-triggered Release, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 10476-10481, 2014.
13. Zhao L., LiuY., Xie S., Ran P., Wei J., Liu Q., and Li X., Janus Micromotors for Motion-capture-ratiometric Fluorescence
Detection of Circulating Tumor Cells, Chem. Eng. J., 382, 123-135, 2020.
14. Safdar M., Khan S.U., and Jänis J., Progress Toward Catalytic Micro-and Nanomotors for Biomedical and Environmental
Applications, Adv. Mater., 30, 170360-170378, 2018.
15. Wilson D.A., Nolte R.J.M., and van Hest J.C.M., Autonomous Movement of Platinum-loaded Stomatocytes, Nat. Chem., 4,
268-274, 2012.
16. Yi D., Zhang Q., Liu Y., Song J., Tang Y., Caruso F., and Wang Y., Synthesis of Chemically Asymmetric Silica Nanobottles
and Their Application for Cargo Loading and as Nanoreactors and Nanomotors, Angew. Chem. Int. Edit., 55, 14733-14737,
2016.
17. Zhao G. and Pumera M., Geometric Asymmetry Driven Janus Micromotors, Nanoscale, 6, 11177-11180, 2014.
18. Yamamoto D., Takada T., Tachibana M., Iijima Y., Shioi A., and Yoshikawa K., Micromotors Working in Water through Artificial Aerobic Metabolism, Nanoscale, 7, 13186-13190, 2015.
19. Ozin G.A., Manners I., Fournier-Bidoz S., and Arsenault A., Dream Nanomachines, Adv. Mater., 17, 3011-3018, 2005.
20. Paxton W.F., Sen A., and Mallouk T.E., Motility of Catalytic Nanoparticles through Self-generated Forces, Chemistry, 11,
6462-6470, 2005.
21. Wang Z., Chi Q., Liu L., Liu Q., Bai T., and Wang Q., A Viscositybased Model for Bubble-propelled Catalytic Micromotors,
Micromachines, 8, 185-198, 2017.
22. Li L., Wang J., Li T., Song W., and Zhang G., Hydrodynamics and Propulsion Mechanism of Self-propelled Catalytic
Micromotors: Model and Experiment, Soft Matter, 10, 7511- 7518, 2014.
23. Gao W., Dong R., Thamphiwatana S., Li J., Gao W., Zhang L., and Wang J., Artificial Micromotors in the Mouse’s Stomach:
A Step Toward In Vivo Use of Synthetic Motors, ACS Nano, 9, 117-123, 2014.
24. Wang L., Chen J., Feng X., Zeng W., Liu R., Xiujing L., Ma Y. et al., Self-propelled Manganese Oxide-based Catalytic
Micromotors for Drug Delivery, RSC Adv., 6, 65624-65630, 2016.
25. Xu D., Wang Y., Liang C., You Y., Sanchez S., and Ma X., Self-propelled Micro/Nanomotors for On-demand Biomedical
Cargo Transportation, Small, 190246, 1-22, 2019. DOI: /10.1002/smll.201902464
26. Shklyaev S., Janus Droplet As a Catalytic Micromotor, Europhys. Lett., 110, 54-59, 2015.
27. Xuan M., Shao J., Lin X., Dai L., and He Q., Light-activated Janus Self-assembled Capsule Micromotors, Colloids Surf. A,
482, 92-97, 2015.
28. Lin Z., Wu Z., Lin X., and He Q., Catalytic Polymer Multilayer Shell Motors for Separation of Organics, Chemistry, 22, 1587- 1591, 2016.
29. Huang W., Manjare M., and Zhao Y., Catalytic Nanoshell Micromotors, J. Phys. Chem. C, 117, 21590-21596, 2013.
30. Liu L., Bai T., Chi Q., Wang Z., Xu S., Liu Q., and Wang Q., How to Make A Fast, Efficient Bubble-driven Micromotor: A
Mechanical View, Micromachines, 8, 20-36, 2017.