自驅(qū)動合成微納米馬達的仿生設(shè)計及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用.pdf

1、人造微納米馬達是在微納米尺度上將化學(xué)能或其它形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能或運動的人工器件或裝置。受自然界生物分子馬達運動的啟發(fā)，人們已經(jīng)設(shè)計并構(gòu)筑了各種可進行自主運動的人造微納米馬達，比如依靠分解過氧化氫為燃料的化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)運動的化學(xué)催化微納米馬達。但是大多數(shù)馬達的制備過程復(fù)雜，難以進行表面修飾，同時生物相容性和生物降解性較弱。
　　本文結(jié)合可控組裝技術(shù)以及仿生設(shè)計思路構(gòu)建自驅(qū)動仿生納米馬達體系。我們首先通過層層組裝技術(shù)制備一種自驅(qū)動

2、天然聚合物多層管狀納米馬達。這種納米馬達主要由生物相容性和生物降解性天然聚合物組成，納米馬達的運動速度可以通過燃料濃度進行調(diào)節(jié)，運動方向可以通過外加磁場進行控制。同時升高溫度將加快化學(xué)反應(yīng)速率并提升馬達的運動速度。與以往基于金屬和的微納米馬達相比，本部分研究工作所構(gòu)筑的聚合物多層管狀納米馬達的突出優(yōu)點在于：（1）由生物相容性和生物降解性天然聚合物組成；（2）兼具自驅(qū)動納米馬達和智能藥物載體的功能。在此基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)筑了以蛋白質(zhì)為組裝基

3、元，具有生物降解性質(zhì)的自驅(qū)動納米馬達作為智能運載體用于藥物的高效裝載，靶向癌細胞運輸，最終實現(xiàn)藥物的近紅外光響應(yīng)性可控釋放。這種納米馬達通過模板結(jié)合層層組裝胎牛血清和聚賴氨酸而成。這種納米馬達通過生物催化氣泡驅(qū)動和外源磁場引導(dǎo)可以將裝載的阿霉素快速運送到靶向癌細胞處。納米馬達內(nèi)部裝載的過氧化氫酶具有高效催化活性，極大地降低了納米馬達進行氣泡驅(qū)動時所需要的過氧化氫燃料濃度。通過向納米馬達內(nèi)部引入含有水凝膠的方法提高了納米馬達的藥物裝載量。

4、在近紅外光的照射下納米馬達的金納米粒子發(fā)生光熱效應(yīng)使明膠水凝膠發(fā)生相轉(zhuǎn)換從而將裝載的阿霉素快速釋放并有效殺死周圍癌細胞。這些由蛋白質(zhì)為主要成分的納米馬達完成藥物靶向運輸和可控釋放后，納米馬達在生理條件下發(fā)生酶促降解，因此降低了納米馬達使用中對人體可能造成的毒性。
　　為了調(diào)控催化聚合物納米馬達運動，本論文提出運用近紅外光照射實現(xiàn)人為控制聚合物多層納米馬達的“啟/?！边\動，這種納米馬達首先利用模板結(jié)合層層組裝技術(shù)并隨后沉積鉑納米粒子

5、在納米馬達內(nèi)部以及在納米馬達外表面形成一層金納米殼，然后將腫瘤靶向肽修飾到納米馬達外層的金表面。在臨界過氧化氫燃料濃度下，納米馬達無法運動，然而當(dāng)受到近紅外光的照射后，納米馬達表面發(fā)生光熱效應(yīng)使得附近的溶液溫度升高，加速了化學(xué)反應(yīng)速率及物質(zhì)的擴散速率，進而產(chǎn)生更多的氧分子并形成氧氣泡，最終啟動催化納米馬達的運動。最后納米馬達的靶向識別能力以及隨后的通過高強度近紅外光照射產(chǎn)生的光熱效應(yīng)可以殺死癌細胞。本章的創(chuàng)新在于提出金納米殼包裹馬達可在

6、臨界化學(xué)燃料濃度下，采用近紅外光對納米馬達啟停運動進行控制的新方法。
　　為避免化學(xué)驅(qū)動馬達使用過氧化氫燃料對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生毒性，本論文制備了無化學(xué)燃料、近紅外光驅(qū)動的聚合物多層膜納米馬達。這種新的納米馬達是通過模版結(jié)合層層組裝技術(shù)并隨后在內(nèi)部沉積金納米殼完成。近紅外驅(qū)動納米馬達可以實現(xiàn)沿納米馬達的軸向進行單方向運動。納米馬達的最大速度可以達到160μm/s。同時我們還建立了關(guān)于在近紅外光照射下光熱效應(yīng)的理論模型，揭示自熱泳是納

7、米馬達近紅外光運動的驅(qū)動力。本章所提出的近紅外驅(qū)動馬達創(chuàng)新處在于馬達運動無需使用化學(xué)燃料，理論模擬結(jié)果得知，自熱泳是近紅外光驅(qū)動馬達運動的驅(qū)動力。
　　為了提高微納米馬達的功能化修飾水平，本論文構(gòu)建了超聲驅(qū)動細胞膜偽裝微納米馬達。首先通過金納米線馬達和紅細胞膜囊泡發(fā)生融合獲得超聲驅(qū)動細胞膜偽裝納米馬達。紅細胞膜包裹納米馬達可以進行有效并可控的聲音驅(qū)動，在未稀釋的血液中也可以完成有效的驅(qū)動。在驅(qū)動的過程當(dāng)中納米馬達表面的紅細胞膜保持

8、穩(wěn)定，因此這種紅細胞膜偽裝納米馬達可以吸附細胞膜損傷毒素并作為高效的毒素誘餌。在超聲場下紅細胞膜偽裝納米馬達的高效運動加速了馬達中和細胞膜損傷毒素效果。此外，本論文還提出天然紅細胞作為超聲驅(qū)動以及磁性控制的功能性紅細胞微馬達。四氧化三鐵納米粒子被裝載到紅細胞內(nèi)后，由于四氧化三鐵納米粒子在細胞內(nèi)不對稱分布產(chǎn)生了凈磁場，凈磁場可以實現(xiàn)紅細胞馬達在超聲運動過程中的磁性控制。紅細胞馬達在多種生物流體包括血液中可以進行有效的超聲運動。由于紅細胞馬

9、達保留了天然紅細胞的生物和結(jié)構(gòu)特征，使其具有一系列常規(guī)合成馬達不具備的抗免疫細胞吞噬等性質(zhì)。本章內(nèi)容的主要創(chuàng)新在于構(gòu)建了天然細胞膜偽裝的超聲驅(qū)動微納米馬達，這種馬達可以在多種生物介質(zhì)中運動，并且降低免疫細胞的吞噬，用于清除毒素。
　　綜上所述，我們基于可控組裝和仿生設(shè)計思路提出一系列具有生物相容性和生物降解性仿生微納米馬達。相比于常規(guī)的合成微納米馬達，在材料方面仿生馬達可以由天然大分子構(gòu)建，同時在運動控制方面還實現(xiàn)了近紅外光響應(yīng)的