自驱动阴阳型聚合物多层胶囊马达的仿生设计与组装

发布时间：2020-10-01 15:16

　　化学催化微纳米合成马达是能够借助化学催化的方式将环境中的化学能转化为动能的人造微纳米装置。自然界中,驱动蛋白、肌球蛋白等分子马达能将三磷酸腺苷(即ATP)催化分解的能量转化为动能。受此启发,近十年来人们致力于人造微纳米马达的设计与合成,以期实现在靶向给药、分离、生物传感、微纳米器件等领域的应用。基于此,本论文受分子马达催化水解三磷酸腺苷获得能量实现运动的启发,运用层层自组装技术制备了系列阴阳型中空聚电解质微胶囊马达。通过在胶囊的一侧组装催化剂,催化分解过氧化氢溶液产生氧气以驱动微胶囊马达运动,并对运动行为和机理进行深入研究和讨论。首先采用层层自组装技术来制备聚电解质中空微胶囊,并对微胶囊的结构、形貌、装载能力和热稳定性等性能进行研究。利用激光共聚焦显微镜、电子扫描电镜和透射扫描显微镜等手段进行表征,结果显示制备得到的聚电解质中空微胶囊平均粒径为8μm,形貌均一、结构稳定、具有很好的单分散性。其次,通过改变溶剂的方法对微胶囊囊壁渗透性进行调控实现微胶囊的有效装载。进一步对微胶囊的热稳定性进行了研究,在650 nm的聚焦激光束的诱导下实现了金纳米颗粒掺杂聚电解质微胶囊的快速融合。探讨了金纳米粒子密度在融合过程中对的微胶囊融合速率的影响。通过对微胶囊基本性能的这些研究,为后续自驱动阴阳型微胶囊马达的设计制备打下了良好的基础。选择了具有相对较高稳定性和催化活力的铂作为催化剂,采用层层自组装技术与微接触印刷相结合的方法,设计制备了一种树枝状铂纳米粒子修饰的阴阳型聚合物多层胶囊马达。通过扫描电子显微镜及透射电子显微镜进行测试,结果表明直径为200 nm的树枝状的铂纳米颗粒成功修饰在胶囊的一侧,胶囊结构保持完成。进一步研究了马达在过氧化氢溶液中的运动,结果显示马达可进行圆周运动和螺旋形运动,运动速度依赖于过氧化氢浓度,随过氧化氢浓度的增加而升高,在30%过氧化氢溶液中速度可高达1 mm/s。采用层层自组装技术与真空溅射镀膜法相结合的方法,设计制备了一种铂壳半包覆的阴阳型聚合物多层胶囊马达。扫描电子显微镜等表征结果显示约10 nm厚的铂壳包覆在微胶囊一侧,这种催化剂在马达表面的不对称分布,能够有效提高运动驱动力从而提高马达的运动速度。进一步研究了铂壳催化阴阳马达在低浓度过氧化氢中的运动,结果显示在5%的低过氧化氢溶液中马达的平均速度达到140μm/s,约80%的马达粒子可进行自驱动运动,在0.1%的临界浓度过氧化氢中,通过激光刺激的方法实现了马达运动的“启/停”控制。为了提高人造马达的催化速率及生物相容性,本论文采用真空溅射与EDC交联相结合的方法合成了基于过氧化氢酶作催化剂的生物杂化马达。与铂催化马达相比,酶催化马达的生物相容性有了进一步提高。通过对酶催化马达进行渗透性测试,结果表明,马达结构未被破坏仍然保留微胶囊的装载优点,并确定了微胶囊马达能够有效装载的分子量为10 k Da。对马达运动速度进行统计分析,结果表明相同过氧化氢浓度下酶催化马达在运动速度上远高于铂催化马达,5%过氧化氢中速度可达140μm/s。在生理温度37oC条件下,相比室温条件微马达可以在更低浓度过氧化氢溶液中运动,在0.1%过氧化氢中依然可以运动速度为5μm/s。体外细胞实验成功实现了马达对目标癌细胞的磁靶向运动控制,并通过近红外激光刺激实现了对包裹药物的远程控制释放。以上介绍的气泡驱动微胶囊马达运动的驱动力来源于过氧化氢的催化分解,所以微马达的应用只能局限于过氧化氢溶液中。不需要消耗燃料的纳米发动机的设计制备对未来体内生物医学运输和药物输送应用至关重要。基于以上思路,本文设计制备了仅用水作为介质的非对称型光热驱动马达,这种基于光热驱动的阴阳微胶囊马达能将光能转化成热能进而转化成机械能实现自主运动。进一步开展了微型光热驱动机制的理论研究,利用自行研制的驱动控制及显微镜观测系统,对不同功率激光驱动下的运动进行了统计分析。在功率为100 m W的聚焦激光照射下,光驱动马达通过光热效应产生瞬间高温,可在一秒内实现自主运动,5 s内均方位移可以达到250μm,且运动速度随激光强度的升高而增加。在110 m W的非聚焦激光功率下直径1μm的胶囊马达速度可以达到大约30μm/s。马达的运动速度与激光强度成正比与马达直径成反比。通过分析马达的光热效应,建立了光热驱动的热学模型。在动态模拟的基础上,进一步建立了光热治疗的理论模型,体外细胞实验成功实现了光热微驱动马达对癌细胞主动靶向作用及光热治疗的应用。综上所述,本论文中研究制备的阴阳型微胶囊马达,以其独特的性能和诸多优点,使我们相信它能够在诸多领域获得广泛应用,具有良好的应用前景。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

示意图,层层自组装,过程,示意图

图 1-1 层层自组装过程示意图[17]Fig. 1-1 Schematic illustration of LbL assemblies[17]聚电解质多层微胶囊概述国马普胶体与界面研究所的 M hwald 教授课题组把层层自组装技

自驱动,小板,马达,靶向给药

图 1-2 基于PDMS小板的第一个自驱动人造马达[54]t micromotor developed by Whitesides et al. based on PDMSsmall platinum area on one surface[54].纳米人工机器能催化利用环境中的化学能实现自，潜在应用包括靶向给药、分离、生物传感、制

示意图,电泳模型,示意图,纳米棒

图 1-3 自电泳模型示意图[50 ]Fig. 1-3 Schematic illustration of electrophoresis[50 ]首个自电泳纳米马达由宾夕法尼亚州立大学Sen课题组提出机理已经被广泛接受。该课题组制备了一种长度 2 μm，直分别由金和铂构成的纳米棒（金-铂纳米棒马达）。当该马

【相似文献】