生物医用纳米马达制备和运动机理及控制方法研究

随着科技的发展，为满足国防、生物、医疗领域的迫切需求，纳机电系统的研究越来越受到重视，并取得了重大进展。作为纳机电系统中核心的动力结构-纳米马达是纳机电系统研究的重要方向。但对纳米马达的研究尚处在起步阶段，其运动机理、控制方法、工作环境等关键问题还没有得到很好的解决，研究还处在实验阶段，距离实际应用还有很大差距。本项目以金属纳米马达为研究对象，通过仿真研究和实验验证相结合的方式，研究纳米马达运动的普遍性机理；制备生物医用的新型纳米马达；揭示磁场、电场、温度、光、化学浓度等因素对纳米线运动的影响规律；剖析多纳米线运动过程中的相互作用机理，提出一种优化的多控制参数的复合纳米线运动控制方法；实现医用纳米线的既定轨迹运动及"货物"的装卸。通过系统深入的研究，为纳米线的应用研究提供理论基础和技术支持，填补国内研究领域的空白，具有重大的理论意义和应用价。

纳米马达是一种能够将介质中其它形式的能量转化为自身前进的动力的微纳米装置。本项目旨在设计并制备出一系列化学驱动或外场驱动的人工合成微纳米马达，并通过理论计算、仿真分析和实验研究相结合的方法研究自驱动微纳米马达的运动规律及控制方法，为实现纳米马达在生物领域的具体应用研究奠定基础。研究内容主要包括以下三个方面：在理论方面，建立了一种新型的气泡驱动微喷管马达在低雷诺数液体中运动时的流体动力学模型，研究了微喷管马达运动阻力的影响因素，以及结构形状对马达运动速度的影响规律；在仿真方面，针对现有的双金属纳米线马达和双面球微米马达，分别建立了双纳米线马达以及双纳米球马达的分子动力学模型，并利用该模型研究了温度、溶剂溶度和马达几何参数对马达运动规律的影响；在实验研究方面，通过模板电沉积方法与自组装技术相结合，实现了锥管纳米马达的增速以及红细胞膜伪装纳米马达清除人体毒素的生物医学应用；同时通过低渗包裹的方法制备了具有装载能力的天然红细胞马达，解决纳米马达在生物体内的生物兼容性问题，并进一步研究了微纳马达在介质环境中的运动规律与运动控制方法。项目的研究成果发表在Soft Matter, Applied Physics Letters, ECS Journal of Solid State Science and Technology, Journal of Applied Physics等微纳系统国际顶级期刊上，共发表学术论文12篇（其中SCI检索5篇，EI 11篇），参加国际学术会议7次，获得2015年美国机械工程学会ASME-IDETC/CIE “最佳论文奖”1次。培养博士5名，硕士3名，已毕业研究生4名，培养学士2名，已毕业1名。