表面浸润性定向的葡萄糖驱动瓶状纳米马达

胶体马达是指能够将周围环境中的化学能或其他形式的能量转化为自身机械运动的纳米系统，亦称纳米马达、纳米机器人。因其具有尺寸小、自主运动、推动比大及药物装载能力强等突出优点，在药物靶向运输、血栓快速清除、肿瘤精确治疗等生物医学领域具有巨大的应用前景。经过近十几年的探索，科学家们提出一系列不同场驱动的人造胶体马达，特别是驱动方式具有良好生物相容性的酶驱动胶体马达。然而，现阶段酶驱动胶体马达的机理尚不清楚，自推进运动方向难以控制，是胶体马达面向未来生物医学应用中急需解决的难题。

针对这一难题，哈尔滨工业大学贺强教授（点击查看介绍）研究团队通过调控表面浸润性实现了胶体马达运动方向的控制。

表面浸润性相反的两种酶驱动瓶状纳米马达制备与表征。图片来源：ACS Nano

研究团队通过结合水热碳化和真空灌注法，将葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶装载到具有相反表面浸润性的花瓶状炭纳米瓶内部制备酶驱动纳米马达。制备得到的两种纳米马达表面浸润性相反（接触角分别为55 ± 4°和110 ± 9°），而形貌、酶装载量、酶活性等其他方面没有显著差异。

亲水酶驱动瓶状纳米马达的运动行为研究。图片来源：ACS Nano

在浓度为10 mM的葡萄糖溶液中，亲水瓶状胶体马达以圆底向开口为方向运动（向后运动），平均运动速度为0.97 μm s^-1。

疏水酶驱动瓶状纳米马达的运动行为研究。图片来源：ACS Nano

在浓度为10 mM的葡萄糖溶液中，疏水瓶状胶体马达以开口向圆底的方向运动（向前运动），平均运动速度为0.82 μm s^-1。

亲疏水酶驱动瓶状纳米马达的受力分析及流体场模拟。图片来源：ACS Nano

研究发现，亲水胶体马达的“向后”运动机理是局部葡萄糖浓度梯度自扩散电泳，疏水胶体马达的“向前”运动机理是葡萄糖酸浓度梯度自扩散电泳。同时该团队与中科院理论物理所杨明成老师合作，对局域流体场进行模拟，发现亲水和疏水的胶体马达局域流体场分别对应于“puller”、“pusher”两种模式。

总结

该工作基于结构设计赋予纳米马达自驱动运动能力和方向选择性。不但揭示了酶驱动胶体马达的运动机理，而且提出了一种胶体马达运动方向控制策略，为新一代人造胶体马达的设计和应用提供了新思路。这一成果发表在ACS Nano 上，文章的第一作者为哈尔滨工业大学高长永老师。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Surface Wettability-Directed Propulsion of Glucose-Powered Nanoflask Motors

Changyong Gao, Chang Zhou, Zhihua Lin, Mingcheng Yang*, Qiang He*

ACS Nano, 2019, 13, 12758-12766, DOI: 10.1021/acsnano.9b04708

导师介绍

贺强

https://www.x-mol.com/university/faculty/46676