化学趋向聚合物多层胶囊马达的可控组装及运动机理研究

Artificial micro-/nanomotors are the micro-/nanoscale systems which are able to convert chemical energy or other types of energies into mechanical movement and perform complex tasks. Self-propelled micro-/nanomotors based on controlled assembled architectures display the advantages including excellent stimuli-responsive properties, multifunctionality, and the possibility for mass preparation. Inspired by the concept of bionics, the chemotaxis of micro-/nanomotors offer a way to the motion control for the applications such as targeted transport without the requirement of the supplement of external energies. Micro-/nanomotors based on layer-by-layer assembly have the considerable progress in controlled fabrication and motion control, and have shown a great potential in the applications such as drug delivery, but the study on their chemotaxis is still a blank space that needs to be filled. Thus, this project intends to study the chemotaxis and its mechanism of capsule micro-/nanomotors based on layer-by-layer assembly. This project will realize the controllable preparation of series of chemotactic capsule motors based on polymer multilayers, develop the experimental methods for the chemotaxis study by employing microfluidic technology, systematically study the chemotaxis behaviors of these micro-/nanomotors, and explore the mechanism of the chemotactic movement by combining theoretical simulation and experimental study. The project aims to realize the chemotactic motion of chemically catalytic micro-/nanomotors that is highly sensitive to the fuel concentration gradient by optimizing the experimental conditions. These studies will provide a reliable theoretical and technical basis for the future applications of the chemotactic micro-/nanomotors in biomedicine and other fields.

人造微纳米马达是将化学能等不同形式的能量转化为机械运动并能够完成复杂任务的微纳米系统。基于可控组装结构的微纳米马达具有良好的刺激响应性、多功能性以及便于批量制备等优点。基于仿生概念的微纳米马达趋化性为其在靶向运输等领域中的应用提供了一种不需要外界能量供给而实现运动控制的手段。层层组装基微纳米马达已在可控构筑、运动控制等方面取得了丰富的研究进展，并在药物递送等领域具有良好的应用潜力，然而其趋化性研究仍是一个亟待填补的空白领域。为此，本项目拟开展层层组装基胶囊马达的趋化性及其机理研究，旨在实现系列化学趋向聚合物多层胶囊马达的可控制备，并建立基于微流控技术的趋化性研究方法，进而系统地研究这些微纳米马达的趋化运动行为，并进一步通过结合理论模拟探索其趋化运动机理，从而通过优化条件实现对燃料浓度梯度高度敏感的化学催化马达趋化运动，为化学趋向马达在生物医学等领域中的应用提供可靠的理论和技术基础。

微纳米马达（也可称为胶体马达）是将化学能等不同形式能量转化为流体中自推进运动，并能够完成复杂任务的微纳米系统。化学趋向性，即趋化性，是物体（通常为生命体）感受特定化学物质浓度梯度并做出运动响应的能力和行为。基于仿生概念的微纳米马达趋化性提供了一种不需要外界能量供给而实现运动方向控制的重要手段，对于实现微纳米马达在主动靶向药物递送等生物医学领域中的应用具有重要意义。本项目首先建立了趋化运动研究方法，而后系统研究了微纳米马达的可控制备与趋化运动行为，并对其运动机理和集群行为进行了探索，取得以下几方面重要结果：1）改进层层组装微纳米马达的可控制备方法，通过刺激响应性聚合物刷的引入实现胶囊马达运动速度连续可调，通过与自卷曲技术的结合实现批量制备；2）建立基于微流控、紫外吸收光谱和动态光散射等技术以及丁达尔散射现象的微纳米马达趋化性表征方法；3）在趋化运动行为方面，实现并弄清了细胞杂化马达的趋化性导向自寻的运动以及酶催化纳米尺度马达的集群趋化运动；4）在运动机理方面，实现自扩散泳与自电泳驱动机理之间的温控转换，发现马达集群可展现巨数涨落等非平衡态特征。这些研究成果将为趋向性微纳米马达在药物递送等领域中的应用提供理论基础和技术支撑。项目取得以下主要成果：发表学术论文10篇（含Angew. Chem. Int. Ed. 4篇、Adv. Funct. Mater. 1篇、中国科学:化学 1篇）；1篇文章被选为Hot Paper，并被国外多家媒体亮点报道；1篇文章入选“2017 PCCP HOT Articles”；1篇被选为封面文章；撰写英文专著章节1篇；申请中国发明专利1项；培养毕业博士生1人、硕士生2人；项目负责人分别做国际会议和国内会议特邀口头报告1次，做全国性会议分组口头报告2次；项目负责人作为第二完成人分别获黑龙江省科学技术奖二等奖和黑龙江省高校科学技术奖一等奖1项。