超声驱动管状微纳米马达的可控组装及自驱动机理研究

Artificial micro/nanomotors represent the hot topic in the field of micro/nanoscience due to their promising potential applications in the field of biomedicine. Inspired by the natural biological molecular motors, researches demonstrated diverse chemically-powered micro/nanomotors based on various fuels. However, the adverse effect of chemical fuels to the body limits the biomedical application of chemical-powered micro/nanomotors. As the combination of our recent achievement of the tubular polymer multilayer micro/nanomotors through the controlled assembly technique, and the ultrasound-triggered propulsion of metal nanowire motors, this project aims to study the controlled assembly, ultrasound propulsion behavior, propulsion mechanism, on-demand motion control and biomedical applications of the ultrasound-powered tubular micro/nanomotors. We expect to accomplish the controlled assembly of the tubular micro/nanomotor, analysis the ultrasound-powered movement behavior of the tubular micro/nanomotors, and the influence factors to the ultrasound propulsion, study the ultrasound-triggered vibration of bubble inside the tubular motors to reveal the propulsion mechanism by using theoretical simulations, the strategy to achieve on-demand control of the motion of the motors, and explore the applications of the tubular micro/nanomotors in drug delivery. The fuel-free ultrasound-driven tubular micro/nanomotors provide the reliable theoretical and technical basis for their biomedical applications.

人造微纳米马达因其在生物医学等领域的潜在应用价值成为了微纳米科学的热点问题。受自然界生物马达启发，人们提出了多种基于添加燃料的化学能驱动微纳米马达，然而化学燃料对生命体的伤害限制了微纳米马达在生物医学领域的应用。在本项目中，申请人结合自己长期从事运用可控组装技术构筑管状聚合物多层微纳米马达研究以及超声驱动纳米线马达研究作为基础，研究超声驱动管状微纳米马达的可控组装、超声运动行为、超声驱动机理、控制马达运动的方法以及马达在药物运输领域的应用。运用模板结合层层组装等技术进行管状微纳米马达的可控组装；分析管状微纳米马达的超声运动行为以及影响马达运动的因素；运用仿真模拟剖析超声引发的马达内气泡振动，阐明管状马达的超声驱动机理；提出操作超声开关和外源磁场等方式来控制马达的运动行为；探索管状马达在药物输运中的应用。这种无需燃料的超声驱动管状马达在生物医学领域的实际应用提供理论基础和技术支持。

微纳米马达是指能够将环境中存储的化学能或声、光、电、磁等外物理场能量转化为自身机械运动的纳米粒子。本项目旨在基于可控组装技术构筑超声或其他外场驱动的微纳米马达，并结合系统实验与计算模拟研究驱动微纳米马达的运动规律及控制方法，探索微纳米马达在生物医学领域的应用。研究内容主要包括以下三个方面：在构筑方面，基于模板结合可控组装技术实现聚合物纳米管的大批量构筑；在运动研究方面，实现了外源超声场驱动纳米马达的游动，并通过调控外源超声场参数实现纳米马达运动行为的控制；在生物医学方面，实现了纳米马达对单细胞膜打孔，结合理论与实验给出了纳米马达细胞膜打孔的关键因素，分析了外源超声场参数、纳米马达管壁厚度预计聚电解质层数对细胞膜机械的影响规律；借助细胞膜伪装和血红蛋白包裹技术实现了纳米机器在生物流体中氧递送；在纳米马达之间相互作用方面，分析不同密度纳米马达的运动行为，运用聚合物高分子刷实现纳米马达集群的涌现，实现了类似细菌一样的纳米马达集群的趋化运动。项目的研究成果发表在Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, ACS Applied Materials & Interfaces,等胶体界面科学国际顶级期刊上，共发表SCI论文7篇，参加国际学术会议5次（含一次邀请报告），获得2019年中国机器人大会“十佳海报奖”1次。入选麻省理工科技评论“中国35位35岁以下科技创新人才”，2019十大科技新锐卓越影响奖。培养博士1名，硕士2名。