天然多糖基微马达的制备及运动机理研究

发布时间：2020-05-25 16:56

【摘要】：微纳米马达是能够将化学能、磁能、光能、电能等能量转化为机械运动的微纳米装置。微纳米马达在靶向给药、毒素清除、生物传感等生物医学领域具有巨大的应用前景。本论文基于模板法利用天然多糖制备了三种微马达,通过在天然多糖微马达内部装载催化剂和磁性纳米颗粒实现了微马达的驱动,并对微马达的运动行为、运动机理、潜在的应用进行深入研究和讨论。利用天然壳聚糖、海藻酸钠设计制备了一种表面修饰有铂纳米颗粒和磁性四氧化三铁纳米颗粒的盘状微马达。扫描电子显微镜、激光共聚焦扫描显微镜等表征结果显示盘状微马达的直径约为5μm、厚度约为40 nm。微马达运动行为研究结果表明,通过调控外源磁场能够成功实现微马达在过氧化氢溶液中运动方向的可控调节。对微马达运动速度与氧气气泡之间的关系进行了统计分析,发现微马达运动速度随氧气气泡的产生、生长扩散呈现周期性变化的规律。进一步研究了盘状微马达的细胞运输能力,结果显示盘状微马达可在外加磁场的操控下装载细胞,并实现细胞的靶向运输。运用层层自组装技术和微接触印刷技术以天然海藻酸钠、壳聚糖为材料制备聚合物多层膜,并对聚合物多层膜的形貌、结构等性能进行研究。激光共聚焦扫描显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜表征结果显示,制备得到的聚合物多层膜尺度均一、结构稳定,聚合物多层膜的厚度约为60 nm。通过自卷曲的方法制备聚合物管状微马达,对微马达的结构、形貌进行研究。聚合物管状微马达是由聚合物多层膜单侧卷曲制备得到的。探讨了聚合物管状微马达自卷曲机理,理论模拟结果显示微马达自卷曲的机理是应力释放。研究了管状微马达在过氧化氢溶液中的运动,结果显示微马达在5%过氧化氢溶液中的运动速度可达到161μm/s,同时这些聚合物管状微马达可用于细胞的搭载应用中。由于过氧化氢燃料的生物不相容性,限制了未来微马达在生物医学领域的应用。为提高人造微纳米马达驱动方式的生物相容性,制备了一种磁驱动海藻酸钠水凝胶星状微马达。这种微马达不需要消耗化学燃料,能将磁能转化为机械能,继而实现自主运动。对水凝胶星状微马达磁场下的运动行为研究结果显示,星状微马达磁场下的运动形式包括旋转运动和滚动运动。磁场强度为7 m T,频率为4 Hz时,水凝胶星状微马达的滚动运动速度能达到17μm/s。进一步研究发现水凝胶星状微马达的运动速度随磁场频率的增加呈先上升后下降的规律。这是因为一旦磁场频率超过截止频率,流体粘滞阻力超过了最大磁力矩,进而导致微马达的运动速度下降。理论模拟分析结果显示,在yz平面上微马达旋转产生的不对称剪切流导致的不对称剪切力是星状微马达滚动运动的推动力。这种水凝胶星状微马达具有良好的药物装载和可控释放能力,能够在肿瘤弱酸性环境中快速释放内部装载的抗癌药物阿霉素。生物降解研究结果显示,制备得到的微马达具有良好的可降解性,能够被淀粉酶降解。本论文基于生物仿生和可控组装的设计思路,研究制备了三种天然多糖基微马达。这些微马达具有良好的运动能力和装载能力,具有应用于生物医学领域的潜能。
【图文】：

示意图,组装方法,微纳米,马达

图 1-1 微纳米马达的组装方法示意图[34]Fig. 1-1 Schematic illustration of the assembly of Micro-/nanomotors[34]了满足未来各种应用的需求，大量生产具有复杂结构和多种功能

化学催化,聚电解质,胶囊,马达

1-2 化学催化气泡驱动的阴阳型聚电解质胶囊马达nomous movement of controllable assembled Janus cap装胶囊，通过纳米多孔模板辅助的层层组装也米马达。由于气泡驱动造成的反冲力，这些管火箭。He 等人首先设计并制备了自驱动的聚火箭由两种生物可降解的带有相反电荷的天然聚糖和负电性的海藻酸盐，这两种多糖分别被在碳酸脂膜的孔道中引入聚二甲基二烯丙基氯米火箭组装制备时所用的多孔模板孔道是不对致了最终层层组装的纳米管具有不对称的锥形方便。这种圆锥形纳米火箭两个开口端的直径向着开口较大的一端运动并最终在这一侧管口达到 74 m/s（10 bl/s），通过观察分析释放的四种典型的运动方式，包括直线型，曲线形，
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O636.1;TB383.1

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