自驱动合成微纳米马达的仿生设计及其生物医学应用

发布时间：2020-07-18 06:53

【摘要】：人造微纳米马达是在微纳米尺度上将化学能或其它形式的能量转化为机械能或运动的人工器件或装置。受自然界生物分子马达运动的启发,人们已经设计并构筑了各种可进行自主运动的人造微纳米马达,比如依靠分解过氧化氢为燃料的化学反应来实现运动的化学催化微纳米马达。但是大多数马达的制备过程复杂,难以进行表面修饰,同时生物相容性和生物降解性较弱。本文结合可控组装技术以及仿生设计思路构建自驱动仿生纳米马达体系。我们首先通过层层组装技术制备一种自驱动天然聚合物多层管状纳米马达。这种纳米马达主要由生物相容性和生物降解性天然聚合物组成,纳米马达的运动速度可以通过燃料浓度进行调节,运动方向可以通过外加磁场进行控制。同时升高温度将加快化学反应速率并提升马达的运动速度。与以往基于金属和的微纳米马达相比,本部分研究工作所构筑的聚合物多层管状纳米马达的突出优点在于:(1)由生物相容性和生物降解性天然聚合物组成;(2)兼具自驱动纳米马达和智能药物载体的功能。在此基础上,进一步构筑了以蛋白质为组装基元,具有生物降解性质的自驱动纳米马达作为智能运载体用于药物的高效装载,靶向癌细胞运输,最终实现药物的近红外光响应性可控释放。这种纳米马达通过模板结合层层组装胎牛血清和聚赖氨酸而成。这种纳米马达通过生物催化气泡驱动和外源磁场引导可以将装载的阿霉素快速运送到靶向癌细胞处。纳米马达内部装载的过氧化氢酶具有高效催化活性,极大地降低了纳米马达进行气泡驱动时所需要的过氧化氢燃料浓度。通过向纳米马达内部引入含有水凝胶的方法提高了纳米马达的药物装载量。在近红外光的照射下纳米马达的金纳米粒子发生光热效应使明胶水凝胶发生相转换从而将装载的阿霉素快速释放并有效杀死周围癌细胞。这些由蛋白质为主要成分的纳米马达完成药物靶向运输和可控释放后,纳米马达在生理条件下发生酶促降解,因此降低了纳米马达使用中对人体可能造成的毒性。为了调控催化聚合物纳米马达运动,本论文提出运用近红外光照射实现人为控制聚合物多层纳米马达的“启/停”运动,这种纳米马达首先利用模板结合层层组装技术并随后沉积铂纳米粒子在纳米马达内部以及在纳米马达外表面形成一层金纳米壳,然后将肿瘤靶向肽修饰到纳米马达外层的金表面。在临界过氧化氢燃料浓度下,纳米马达无法运动,然而当受到近红外光的照射后,纳米马达表面发生光热效应使得附近的溶液温度升高,加速了化学反应速率及物质的扩散速率,进而产生更多的氧分子并形成氧气泡,最终启动催化纳米马达的运动。最后纳米马达的靶向识别能力以及随后的通过高强度近红外光照射产生的光热效应可以杀死癌细胞。本章的创新在于提出金纳米壳包裹马达可在临界化学燃料浓度下,采用近红外光对纳米马达启停运动进行控制的新方法。为避免化学驱动马达使用过氧化氢燃料对生物医学应用产生毒性,本论文制备了无化学燃料、近红外光驱动的聚合物多层膜纳米马达。这种新的纳米马达是通过模版结合层层组装技术并随后在内部沉积金纳米壳完成。近红外驱动纳米马达可以实现沿纳米马达的轴向进行单方向运动。纳米马达的最大速度可以达到160μm/s。同时我们还建立了关于在近红外光照射下光热效应的理论模型,揭示自热泳是纳米马达近红外光运动的驱动力。本章所提出的近红外驱动马达创新处在于马达运动无需使用化学燃料,理论模拟结果得知,自热泳是近红外光驱动马达运动的驱动力。为了提高微纳米马达的功能化修饰水平,本论文构建了超声驱动细胞膜伪装微纳米马达。首先通过金纳米线马达和红细胞膜囊泡发生融合获得超声驱动细胞膜伪装纳米马达。红细胞膜包裹纳米马达可以进行有效并可控的声音驱动,在未稀释的血液中也可以完成有效的驱动。在驱动的过程当中纳米马达表面的红细胞膜保持稳定,因此这种红细胞膜伪装纳米马达可以吸附细胞膜损伤毒素并作为高效的毒素诱饵。在超声场下红细胞膜伪装纳米马达的高效运动加速了马达中和细胞膜损伤毒素效果。此外,本论文还提出天然红细胞作为超声驱动以及磁性控制的功能性红细胞微马达。四氧化三铁纳米粒子被装载到红细胞内后,由于四氧化三铁纳米粒子在细胞内不对称分布产生了净磁场,净磁场可以实现红细胞马达在超声运动过程中的磁性控制。红细胞马达在多种生物流体包括血液中可以进行有效的超声运动。由于红细胞马达保留了天然红细胞的生物和结构特征,使其具有一系列常规合成马达不具备的抗免疫细胞吞噬等性质。本章内容的主要创新在于构建了天然细胞膜伪装的超声驱动微纳米马达,这种马达可以在多种生物介质中运动,并且降低免疫细胞的吞噬,用于清除毒素。综上所述,我们基于可控组装和仿生设计思路提出一系列具有生物相容性和生物降解性仿生微纳米马达。相比于常规的合成微纳米马达,在材料方面仿生马达可以由天然大分子构建,同时在运动控制方面还实现了近红外光响应的人为控制。为了避免化学燃料对于生物体的伤害,我们提出无燃料近红外和超声驱动的纳米马达。在微纳米马达功能化修饰中,首次提出通过将合成马达同生命体进行融合而得到红细胞伪装纳米马达,并在此基础上提出以细胞为基础的新型仿生微纳米马达体系。
【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】：2015
【分类号】：R318;TB383.1

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本文编号：2760569