动态超顺磁仿生纤毛系统的研究

This work investigates magnetic dynamic biomimetic cilia system by gathering of γ-Fe2O3 nanoparticles into porous alumina template to form superparamagnetic cilia array. Cilia array present the following characteristics: one end is embedded in the alumina templates holes while another end prominent alumina template surface; superparamagnetic γ-Fe2O3 magnetic cilia is stable and independent between each other without external magnetic field, applied external magnetic field can control the motion and the magnetization of the cilia. Porous alumina template is obtained by the secondary oxidation, superparamagnetic submicron wires are obtained by the electrostatic complexation between 10 nm γ-Fe2O3 anionic nanoparticles and cationic polyelectrolyte polymer. The dynamic cilia system is expected to provide new concept to design and construct artificial functional surface such as dynamic superhydrophobic surfaces and highly sensitive sensor system.

本研究拟在多孔氧化铝模板孔洞中生长以纳米γ-Fe2O3颗粒聚集形成的超顺磁纤毛阵列得到磁性动态仿生纤毛系统。阵列中纤毛具有以下特点：一端镶嵌在规则氧化铝模板孔洞中，一端突出氧化铝模板表面；γ-Fe2O3纤毛具有超顺磁性，无外磁场时处于独立稳定状态且磁化强度为零（纤毛间无磁相互作用），加外场可调控其磁化强度且可用外磁场控制突出端纤毛的运动状态。其中多孔氧化铝模板采用二次氧化法获得，超顺磁亚微米纤毛利用阳离子聚电解质聚合物作为粘连材料通过静电相互作用聚合直径10 nm以下的γ-Fe2O3颗粒得到。该动态纤毛系统的研究为人造功能性表面材料的设计和制备上提出新的思路，可作为高灵敏传感器系统、动态超疏水自洁表面等。

本研究通过自下而上的组装工艺，将改性后带负电的超顺磁性γ-Fe2O3纳米颗粒和带正电的阳离子聚电解质聚合物在氧化铝模板的孔洞中组装成具有超顺磁性的γ-Fe2O3纳米线阵列。这种规则的超顺磁性阵列可以在磁场中被迅速磁化，去掉磁场后又能迅速退磁；如果在这种阵列表面包裹一层特定功能性官能团，这种非接触式且磁场可控的特性有望极大提高生物传感器的灵敏度。本文采用传统的二次氧化法和改进的硬质氧化法制备出不同孔径的多孔氧化铝模板。采用传统的二次氧化法，在氧化电压为50 V条件下制备出孔径为90 nm，孔间距为125 nm的氧化铝模板。在采用改进的硬质氧化法制备模板的过程中，可以通过改变升压速率和目标电压来调节氧化铝模板的孔径。当升压速率为10 V/min时，制备的氧化铝模板的孔径为90～110 nm；当升压速率为2.5 V/min时，氧化铝模板的孔径为160～190 nm。通过共沉淀法制备了γ-Fe2O3纳米颗粒，利用XRD、VSM、TEM等测试手段对制备的颗粒样品进行表征，结果表明，该样品具有超顺磁性，颗粒的粒径均一，多分散性小。通过聚丙烯酸对其表面改性后，DLS测试结果表明，其包裹层的厚度约7 nm，且包裹后的颗粒在弱碱性的水基环境和高浓度盐环境中都具有优良的胶体稳定性。采用浸泡的方法将颗粒和聚电解质聚合物灌注到氧化铝模板的孔洞中，在外加磁场作用下，通过透析实现组装。在制备过程中，通过调节颗粒和阳离子聚电解质聚合物的浓度、氧化铝模板的孔径、电荷比Z值等研究组装情况。结果表明，当颗粒的浓度越大，氧化铝模板的孔洞越大，电荷比值Z越小时，颗粒和阳离子聚电解质聚合物越容易在氧化铝模板的孔洞中实现组装。在对组装后的模板进行腐蚀的过程中发现，0.05 wt% NaOH溶液会对纤毛结构造成严重破坏；而采用0.3 M的H3PO4溶液腐蚀，其破坏性较小，可以得到完全解离的纤毛。通过VSM测得纤毛阵列的磁滞回线，其矫顽力和剩磁几乎为零，是典型的超顺磁性。