超声驱动仿红细胞纳米马达的可控组装及自驱动机理研究

Micro/nanomotors are micro- and nanoscale systems that can convert energies in their surrounding environments into mechanical movement in fluids. Owning to their fascinating self-propelled locomotion and controllable direction, these micro/nanomotors hold great value in the biomedical fields such as active targeted transportation, biosensing. Currently, how to build a nanomotor with biological compatibility, degradability, precisely and controllable motion and deformable structure is still a great challenge. Inspired by the structure and biology of red blood cells, this project aims to carry out the research on the controlled assembly, ultrasound propulsion behavior, propulsion mechanism, deformational movement in confining channels and active drug transportation of the ultrasound-powered red blood cell-mimicking nanomotors. We expect to accomplish the controlled fabrication of red blood cell-mimicking nanomotors by employing the layer-by-layer assembly and cell membrane fusion, analysis the ultrasound-powered motion behaviors of the nanomotors and the influence factors to the propulsion, illustrate the driving mechanism by using the combination of experiments and theoretical simulation, study the deformational behaviors of nanomotors in confining channels, determine the critical and optimal conditions of deformational motion, and explore its application in active drug transportation. The ultrasound-powered red blood cell-mimicking nanomotor integrates the properties of autonomous movement, deformation, and biocompatibility, and will provide a reliable theoretical and technical basis for their biomedical applications.

微纳米马达是指能够将所处环境中的能量转化为机械运动的微纳米系统。因其具有自推进运动和方向可控的特性，在主动靶向运输、生物传感等生物医学领域有巨大的潜能。然而如何构筑兼具生物相容和可降解性、运动行为精准可控、可变形结构等特性的微纳米马达仍然是一个挑战。受红细胞的结构和生物特性启发，本项目拟开展超声驱动仿红细胞纳米马达的可控组装、超声运动控制、驱动机理、不同孔道中的变形行为及其在药物主动运输方面的研究。运用模板辅助层层组装、细胞膜融合等技术可控构筑仿红细胞纳米马达，分析马达的超声运动行为以及影响马达运动的因素，采用实验与理论模拟结合的方式阐明马达的超声驱动机理，实现马达运动的人为控制，研究马达在限域通道内的变形运动行为，明确马达变形运动临界条件和最优条件，并探索其在药物主动运输中的应用。超声驱动仿红细胞纳米马达集自主运动、变形、生物兼容于一身，将为微纳米马达在生物医学等领域的应用奠定基础。

胶体马达是指在分散介质中能够将周围环境中的化学能、磁能、声能、光能或其它形式的能量转化为自身机械运动并可以实现复杂任务的纳米系统或胶体粒子，又被称为游动纳米机器人。因其具有尺度小、自主运动能力、功能多样性等特点，在药物靶向运输等领域具有广泛的应用前景。现阶段胶体马达的研究尚处于起步阶段，胶体马达在自寻的主动靶向、运动控制、环境感知、生物兼容与安全性等方面仍然面临着诸多挑战。因此，系统深入地开展胶体马达构筑方法、驱动策略的研究，完善胶体马达的智能化水平，构建功能互融、任务协同的新型多功能胶体马达，可为胶体马达的未来应用奠定坚实的理论和技术基础。本项目旨在开展仿生胶体马达的可控构筑、人为控制、运动机理、变形运动及其应用探索。通过本项目的开展，不但实现项目预期的超声驱动磁场导航仿红细胞胶体马达的可控构筑及跨微流控通道靶向递送，而且通过在液态金属镓表面修饰白细胞细胞膜，实现了超声驱动液态金属镓胶体马达在生物介质中的长时间运动，具有癌细胞化疗和热疗联合治疗应用潜能。研究还发现，可控构筑的镓/锌液态金属胶体马达能够在胃液中自驱动运动，然后通过自降解实现了对幽门螺杆菌的主动治疗。项目执行期间以第一作者和通讯作者发表SCI学术论文5篇，完成了项目预期任务。