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加工精度达14纳米 蛛丝机器人可在人体内游动

形似长着须子的小鱼,可以在人体血糖环境中游动,当环境达到设定条件就能自动降解,释放出药物……近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚合作,用基因重组的蜘蛛丝蛋白3D打印出纳米机器人,加工精度达到14纳米,这一技术有望用于智能仿生感知、药物递送纳米机器人等领域。相关研究成果日前发表在国际知名学术期刊《自然·通讯》上。
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人们生活中毫不起眼的蜘蛛丝,其实是自然界中的一种高强度纤维,它的硬度和韧性甚至要比同尺寸的钢丝强上一倍,但缺点是产量小且非标准化。

为了批量获得“升级版”蜘蛛丝蛋白,研究人员从天然蜘蛛丝中提取出一段强度表现好且重复性好的基因序列,转入大肠杆菌中培养,进而生成3D打印所需的蜘蛛丝蛋白。

用电子束进行三维光刻可以进一步提高加工精度,但此前由于各类材料强度不够,电子束三维光刻容易坍塌。因为经常与蚕丝、蜘蛛丝打交道,陶虎想到了蜘蛛丝蛋白。“太不可思议了!蜘蛛丝蛋白天然抗菌,力度好,可降解,成功实现三维光刻,并将3D打印的加工精度从百纳米级提升到了14纳米。”陶虎说,“14纳米相当于蜘蛛丝蛋白单个分子的尺寸,已经迫近了精度极限。”

因为要在血液等环境中游动,纳米机器人被设计成了鱼的形状,“小鱼”身上最精细的部位是它的须子,只有50纳米粗细,约为头发丝直径的千分之一。

有趣的是,这样3D打印出来的“小鱼”虽然没有动力系统,但却可以在人体血液中自由游动。研究人员从基因层面对蜘蛛丝蛋白做功能化修饰,使“小鱼”可以将人体内普遍存在的葡萄糖作为生物燃料,发生化学反应生成氧气,一个个包裹着氧气的小气泡围绕在“小鱼”周围,当气泡破裂便可驱动“小鱼”向特定方向游动。

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