仿生趋化胶体马达研究方面取得新进展

在国家自然科学基金支持下，哈工大医学与健康学院贺强教授、吴英杰副教授和中科院物理所杨明成研究员合作，在亚微米级仿生流线型胶体马达的定向运动研究方面取得最新进展，研究成果以“趋化胶体马达的扭矩驱动定向运动”为题发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie）。

趋化运动在自然界的生物系统中起到重要作用。例如，大肠杆菌等微生物能感知溶液中的葡萄糖梯度并趋向高浓度葡萄糖区域运动。尽管已有研究报道从理论上预测了化学驱动合成马达可能会像中性粒细胞一样，通过自我定向实现真正的趋化，但是已有的实验报道只展示了化学活性依赖的聚集现象。同时，要实现主动靶向递送、细胞手术等生物医学应用，胶体马达必须具备亚微米尺度、优异的燃料生物相容性、趋化能力突出等特点。然而亚微米的尺寸也使胶体马达的运动姿态变化难以被实时观察到，限制了对其趋化机制的研究。因此，如何设计合成能满足未来生物医学应用需求、具有趋化能力的亚微米尺度胶体马达，仍然是胶体马达面向未来生物医学应用中亟待解决的难题。

针对上述挑战，该研究团队受自然界微生物泳动和趋化行为的启发，设计制备了亚微米尺寸、圆底烧瓶状葡萄糖驱动的仿生流线型胶体马达。该烧瓶状胶体马达能够自主感知葡萄糖燃料的浓度梯度并向高浓度葡萄糖区域运动和聚集，展示类似细菌群体的集群趋化运动行为。鉴于该胶体马达的特殊瓶状结构，研究团队利用配备高速摄像机的光学显微镜直接跟踪并记录了单个烧瓶状胶体马达自主感知并取向葡萄糖浓度梯度、完成正趋化运动的全过程。结合实验数据的物理分析、理论计算和介尺度模拟，发现瓶内酶催化反应产生的葡萄糖酸稀释了瓶口周围的葡萄糖浓度梯度，瓶口和瓶底处浓度梯度所产生的两个扩散泳力的差值导致一个净自扩散泳力矩的产生。该自扩散泳力矩可以抵消液体中分子碰撞的影响，驱使胶体马达完成从瓶底向瓶口方向的正趋化运动，建立了瓶状胶体马达趋化运动的扭矩驱动再定向微观机制。尽管与天然细菌趋化性的微观机制不同，该瓶状胶体马达仍可模仿大肠杆菌的趋化运动行为，为定向运动化学驱动胶体马达的设计提供了重要的理论和实验依据，也推进了胶体马达和游动纳米机器人在生物医学领域的应用。（来源：哈工大）