纤毛是生物体中非常重要的驱动器，例如草履虫通过纤毛的定向摆动可以在水中任意游动，动物呼吸道里的纤毛通过定向摆动能够清除细菌和灰尘。微生物的纤毛还可以感应周围流体的流动以及外界刺激，从而躲避危险或者趋向性运动。受到生物纤毛的启发，研究者们发展了外场驱动人工纤毛；它们能够在微流体器件中发挥泵动或搅拌的作用。其中，磁驱人工纤毛通常是将磁性粒子封装在柔性材料里形成一端固定在基板上，另一端可自由旋转的独立链状结构。它们在生物介质中表现出良好的生物相容性，在微流道里很容易通过外加旋转磁场来操控运动。另外，它们还具有较好的功能集成性，比如与光催化剂结合时能够表现出较好的光催化性能。但是，目前发展的磁驱人工纤毛阵列仅用于流体的定向泵送或货物运输，还不具备生物纤毛的传感和根据环境信号自适应调节驱动行为的功能。

响应性光子晶体是具有周期性结构的介电材料，在外界刺激下它的衍射波长或强度会发生改变。以响应性水凝胶封装的超顺磁Fe₃O₄胶体晶簇组成的一维周期结构为例，水凝胶的体积会随着环境溶液的pH、湿度和温度等变化，对应着晶格常数的改变，于是光子晶体可以展现出不同的衍射颜色。前期，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室官建国教授课题组开发了一种可分散的水凝胶基Fe₃O₄光子纳米链，它们能够以单根光子链的形式悬浮在液体介质中对液体介质溶液进行实时、高分辨地检测和成像（Nano Lett., 2020, 20, 803）。

图1. 自适应磁性光子纳米链纤毛阵列的制备、pH传感与流体货物运输

近日，官建国教授课题组进一步研制出了能原位可视化检测溶液pH值并能根据pH值的大小自适应调整液体泵送速率的磁性光子纳米链纤毛阵列（SMPNCAs）。他们用打印一步成型的方法制备这种SMPNCAs。在打印过程中，悬浮在墨水里的Fe₃O₄@PVP粒子在磁场作用下在氨基修饰的载玻片表面自组装形成一维光子纳米链。然后在紫外光照引发下，单体通过氢键模板聚合固化形成水凝胶基SMPNCAs。打印得到的SMPNCAs图案线宽以及链长和密度可以通过调节喷嘴尺寸、墨水进料速度、打印速度和磁性粒子的浓度来控制。以聚（丙烯酸-共-甲基丙烯酸羟乙酯）形成的SMPNCAs为例，由于溶液pH的改变能够引起水凝胶中的羧基电离导致水凝胶体积变化，从而显著改变SMPNCAs的粒子间距和整体链长，呈现不同的衍射颜色。因此，SMPNCAs可通过显示衍射颜色来在线原位检测流经其周围流体的pH变化，同时也可以在旋转磁场作用下能根据环境溶液pH变化来自适应地改变流体泵送速度或货物运输速度。由于SMPNCAs同时具备了环境检测和自适应流体泵送的能力，因此它们将在智能仿生微器件和微流体系统方面有着潜在应用。

该工作发表在材料领域权威期刊Advanced Functional Materials上，博士生孔磊为论文的第一作者，官建国教授、牟方志副研究员和马会茹副教授为论文的共同通讯作者。

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Self-Adaptive Magnetic Photonic Nanochain Cilia Array

Lei Kong, Yizheng Feng, Wei Luo, Fangzhi Mou*, Kaili Ying, Yu Pu, Ming You, Kai Fang, Huiru Ma*, Jianguo Guan* 

Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202005243

导师介绍

官建国http://www.x-mol.com/university/faculty/49849