在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，哈工大醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院賀強(qiáng)教授、吳英杰副教授和中科院物理所楊明成研究員合作，在亞微米級(jí)仿生流線型膠體馬達(dá)的定向運(yùn)動(dòng)研究方面取得最新進(jìn)展，研究成果以“趨化膠體馬達(dá)的扭矩驅(qū)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)”為題發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）。

趨化運(yùn)動(dòng)在自然界的生物系統(tǒng)中起到重要作用。例如，大腸桿菌等微生物能感知溶液中的葡萄糖梯度并趨向高濃度葡萄糖區(qū)域運(yùn)動(dòng)。盡管已有研究報(bào)道從理論上預(yù)測(cè)了化學(xué)驅(qū)動(dòng)合成馬達(dá)可能會(huì)像中性粒細(xì)胞一樣，通過(guò)自我定向?qū)崿F(xiàn)真正的趨化，但是已有的實(shí)驗(yàn)報(bào)道只展示了化學(xué)活性依賴的聚集現(xiàn)象。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向遞送、細(xì)胞手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，膠體馬達(dá)必須具備亞微米尺度、優(yōu)異的燃料生物相容性、趨化能力突出等特點(diǎn)。然而亞微米的尺寸也使膠體馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化難以被實(shí)時(shí)觀察到，限制了對(duì)其趨化機(jī)制的研究。因此，如何設(shè)計(jì)合成能滿足未來(lái)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求、具有趨化能力的亞微米尺度膠體馬達(dá)，仍然是膠體馬達(dá)面向未來(lái)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中亟待解決的難題。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，該研究團(tuán)隊(duì)受自然界微生物泳動(dòng)和趨化行為的啟發(fā)，設(shè)計(jì)制備了亞微米尺寸、圓底燒瓶狀葡萄糖驅(qū)動(dòng)的仿生流線型膠體馬達(dá)。該燒瓶狀膠體馬達(dá)能夠自主感知葡萄糖燃料的濃度梯度并向高濃度葡萄糖區(qū)域運(yùn)動(dòng)和聚集，展示類似細(xì)菌群體的集群趨化運(yùn)動(dòng)行為。鑒于該膠體馬達(dá)的特殊瓶狀結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)利用配備高速攝像機(jī)的光學(xué)顯微鏡直接跟蹤并記錄了單個(gè)燒瓶狀膠體馬達(dá)自主感知并取向葡萄糖濃度梯度、完成正趨化運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理分析、理論計(jì)算和介尺度模擬，發(fā)現(xiàn)瓶?jī)?nèi)酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的葡萄糖酸稀釋了瓶口周圍的葡萄糖濃度梯度，瓶口和瓶底處濃度梯度所產(chǎn)生的兩個(gè)擴(kuò)散泳力的差值導(dǎo)致一個(gè)凈自擴(kuò)散泳力矩的產(chǎn)生。該自擴(kuò)散泳力矩可以抵消液體中分子碰撞的影響，驅(qū)使膠體馬達(dá)完成從瓶底向瓶口方向的正趨化運(yùn)動(dòng)，建立了瓶狀膠體馬達(dá)趨化運(yùn)動(dòng)的扭矩驅(qū)動(dòng)再定向微觀機(jī)制。盡管與天然細(xì)菌趨化性的微觀機(jī)制不同，該瓶狀膠體馬達(dá)仍可模仿大腸桿菌的趨化運(yùn)動(dòng)行為，為定向運(yùn)動(dòng)化學(xué)驅(qū)動(dòng)膠體馬達(dá)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也推進(jìn)了膠體馬達(dá)和游動(dòng)納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。（來(lái)源：哈工大）