电控聚吡咯/铂微马达：可开关式微型载具的定向推进新策略

本文报道了一种基于电活性聚合物聚吡咯（PPy）的微马达开关控制技术，通过氧化还原电位调控H2O2燃料向铂（Pt）催化层的扩散，实现气泡推进式微马达的电子化启停（on-off切换）。该技术突破传统环境调控（如温度/磁场）限制，集成多引擎设计后可精准控制微型载具的运动方向（左/右/直行）和速度（62-300 μm/s），为靶向给药和生物传感等应用提供新范式。

　　

1 引言

自驱动微马达通过将环境能量转化为机械能，在靶向递送和生物检测领域展现出巨大潜力。传统铂（Pt）催化微马达依赖H₂O₂分解产生O₂气泡推进（2H₂O₂→2H₂O+O₂），但缺乏电子化开关控制。本研究创新性地采用聚吡咯（PPy）作为电控"智能阀门"：在还原态（-0.80V）时PPy链间距增大，允许H₂O₂扩散至Pt表面催化产泡；氧化态（+0.95V）时链间距收缩阻断扩散。这种机制类似内燃机的燃油喷射控制，仅需短时电位脉冲即可实现持续启停。

2 结果

核心发现：

• 开关性能：PPy/Pt微马达在2.7% H₂O₂溶液中实现秒级响应，关闭后残余气泡仅来自前期滞留（图1C）。
• 运动控制：
  • 定向航行："双体船"设计通过双侧引擎同步激活实现直线运动（300 μm/s，0.6体长/秒）（图2B）。
  • 精准转向：三引擎阵列通过选择性激活可完成左/右转弯（图2C-D），例如仅激活右侧引擎时产生逆时针扭矩。
  • 变速调节：激活引擎数量与速度呈正相关，三引擎全开时速度达267 μm/s（图3）。

设计优化：

• 封闭式结构（如内折翼设计）比开放式设计速度提升13%（250 vs 220 μm/s），因气泡定向喷射减少能量损耗（图4A3-A4）。
• MnO₂替代Pt验证技术普适性，500μm×500μm微马达通过-1.00V/0V切换实现相同控制（图5B）。

3 结论

该研究开创性地将PPy的电化学溶胀特性与催化微马达结合，实现四大突破：

1. 精准电控：摆脱传统电磁线圈/温度调控的复杂外设依赖；
2. 多模态运动：集成速度梯度控制（41-267 μm/s）与方向编程；
3. 生物兼容潜力：PPy的生物相容性为体内应用铺路；
4. 技术延展性：可适配不同催化剂（Pt/MnO₂）和燃料（如葡萄糖）。

4 实验方法

关键工艺：

• 微加工：采用掩模溅射（Pt层）与光刻电聚合法（PPy层）结合，OH薄膜基底支持剪刀裁剪的简易成型。
• 参数优化：PPy厚度1500nm为平衡点，过薄导致自发催化，过厚完全阻断扩散。
• 测试体系：三电极系统（工作电极:微马达，参比电极:Ag/AgCl，对电极:不锈钢网）在2.7% H₂O₂+0.1M NaCl溶液中运行。

未来方向：通过集成RF线圈实现无线控制，或结合葡萄糖氧化酶开发内源性燃料驱动系统，将进一步推动该技术在生物医学领域的实用化进程。