工程化活性胶体推动环境与仿生技术的发展

《ACS Applied Engineering Materials》：Engineered Active Colloids Drive Environmental and Biomimetic Technologies

活性胶体在环境修复、药物递送及智能材料领域展现应用潜力，如Janus zeolite/gold颗粒结合电场驱动污染物吸附，超声响应纳米颗粒持续降解染料，磁性纳米颗粒实现可回收除垢，纳米管涂层兼具防腐与荧光指示功能。跨学科合作推动活性胶体技术发展，涉及流体力学、胶体科学、生物物理及材料学领域。

　　

特刊

作为《ACS应用工程材料》特刊“用于自主应用的工程活性胶体”系列的一部分而发表。

活性胶体是一种纳米到微米级的材料，在流体环境中表现出加速的定向运动，在过去十年中引起了极大的兴趣并经历了快速的发展。(1)随着这一领域的发展，实现可行的应用变得越来越可行，有望在化学、物理、生物和工程等多个领域产生变革性的影响。许多这些技术依赖于自主功能的发展，即材料能够感知外部刺激并作出预编程的反应。为了实现这一潜力，必须在活性胶体颗粒的合成及其在自主材料中的应用方面取得进展；这需要流体力学、胶体科学、生物物理学和材料科学界的共同努力和合作。因此，这期特刊“用于自主应用的工程活性胶体”重点介绍了各个学科中活性胶体的最新进展，包括用于环境修复的工程活性颗粒和涂层，以及用于仿生学和生物技术的自主智能材料。

活性胶体能够在复杂的流体环境中移动并执行功能，这使它们非常适合应对环境挑战，这一点在本特刊的几篇论文中得到了体现。Patel等人(2)报道了通过交流电场实现推进的Janus沸石/金活性颗粒的制备。沸石的多孔性使其能够吸附和去除水中的阴离子污染物，而其活性运动能够克服质量传输的限制并提高离子吸收的动力学效率。这一概念验证突显了结合活性推进机制的好处，并提高了现有技术的有效性。Marfavi等人(3)描述了响应超声波生成活性氧（ROS）的声催化纳米颗粒的合成方法。值得注意的是，ROS的产生在暴露后可以持续数小时，从而持续降解染料并发挥抗菌作用。这为使用超声波响应纳米颗粒进行水消毒提供了一种节能的方法。Abdelaal等人(4)提出了一种利用混合无机/有机纳米颗粒处理油田中结垢的方法。涂有可生物降解聚合物（聚天冬氨酸钠）的磁铁矿纳米颗粒由于聚合物涂层的高表面积而能够更有效地吸附矿物盐（石膏），同时其磁性核心使得这些颗粒可以回收利用。因此，这些颗粒成为多种化学和工业应用中绿色防垢剂的理想候选者。Patra等人(5)利用卤化铝纳米管的封装和保护特性制备了既能抑制腐蚀又能监测腐蚀状态的涂层。通过将荧光素或羟基喹啉封装到纳米管中，制备出了具有更高环境稳定性和耐腐蚀性的多功能溶胶-凝胶涂层，这得益于纳米管提供的保护屏障以及来自封装物的荧光信号。这些涂层已经具备了自主保护钢材并报告腐蚀状态的能力，未来如果结合活性修复功能，将成为颗粒工程带来的智能材料的绝佳例子。

活性颗粒和复合材料也适用于可控药物递送。Amirov等人(6)报道了一种聚(N-异丙基丙烯酰胺)/Fe₄₉Rh₅₁ (PNIPAM/FeRh)复合材料的制备，这种材料有望用于按需释放药物分子的智能植入物。他们展示了在磁场作用下多柔比星的可控释放，并保持了生物相容性。Figueroa等人(7)通过精心设计的实验优化了纳米凝胶的尺寸和多分散性，以实现可控的抗菌递送。利用可见光诱导的聚合反应，他们展示了一种环保的PNIPAM纳米凝胶合成方法，这种纳米凝胶可以在生理条件下释放药物。虽然这些颗粒本身不具活性，但它们能够在特定生理条件下自主控制抗菌剂的释放。

细胞是自然界中的活性胶体，具有复杂而高效的功能性，这为仿生材料的发展提供了灵感。两篇综述文章强调了将生物学与材料开发相结合以创造自主智能材料的巨大潜力。Shin和Jang(8)回顾了多室合成囊泡的制备和应用。囊泡内的囊泡或共凝聚体内的囊泡系统的分层结构不仅有助于深入了解生物过程，也为设计具有复杂感知和响应功能的人工材料提供了途径。例如，这些囊泡系统可用于人工信号传导、基因表达和能量生产，展示了它们在生物技术及其他领域的创新潜力。值得一提的是，Shin和Jang的工作(8)也是2024年早期职业论坛的一部分。(9)最后，Wang等人(10)探讨了利用细菌制造活性乳液的方法。通过利用细菌的活性和乳液的胶体特性，制备出了具有自适应功能的材料。独特的是，细菌能够同时稳定乳液、进行界面合成，并由于乳液结构带来的增强质量传递效果而高效降解污染物。根据不同的细菌/乳液系统，这类活性胶体材料在生物医学、石油化工和食品工业等领域具有巨大的应用潜力。

总体而言，这些研究论文和综述文章展示了工程活性胶体的巨大潜力。贡献者的专业背景涵盖了基于活性物质的自主智能材料所能影响的广泛应用领域。我们希望这期特刊不仅能够展示朝这一目标取得的最新进展，还能帮助读者理解活性胶体不同领域之间的联系，以及如何整合物理学、生物学、工程学和环境科学的概念，以推动未来的研究和开发，从而实现变革性技术。