在國家自然科學(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，在亞微米級仿生流線型膠體馬達的定向運動研究方面取得最新進展，研究成果以“趨化膠體馬達的扭矩驅(qū)動定向運動”為題發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）。

趨化運動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)域運動。盡管已有研究報道從理論上預(yù)測了化學(xué)驅(qū)動合成馬達可能會像中性粒細胞一樣，通過自我定向?qū)崿F(xiàn)真正的趨化，但是已有的實驗報道只展示了化學(xué)活性依賴的聚集現(xiàn)象。同時，要實現(xiàn)主動靶向遞送、細胞手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，膠體馬達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。然而亞微米的尺寸也使膠體馬達的運動姿態(tài)變化難以被實時觀察到，限制了對其趨化機制的研究。因此，如何設(shè)計合成能滿足未來生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求、具有趨化能力的亞微米尺度膠體馬達，仍然是膠體馬達面向未來生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中亟待解決的難題。

針對上述挑戰(zhàn)，該研究團隊受自然界微生物泳動和趨化行為的啟發(fā)，設(shè)計制備了亞微米尺寸、圓底燒瓶狀葡萄糖驅(qū)動的仿生流線型膠體馬達。該燒瓶狀膠體馬達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)域運動和聚集，展示類似細菌群體的集群趨化運動行為。鑒于該膠體馬達的特殊瓶狀結(jié)構(gòu)，研究團隊利用配備高速攝像機的光學(xué)顯微鏡直接跟蹤并記錄了單個燒瓶狀膠體馬達自主感知并取向葡萄糖濃度梯度、完成正趨化運動的全過程。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)的物理分析、理論計算和介尺度模擬，發(fā)現(xiàn)瓶內(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)生的兩個擴散泳力的差值導(dǎo)致一個凈自擴散泳力矩的產(chǎn)生。該自擴散泳力矩可以抵消液體中分子碰撞的影響，驅(qū)使膠體馬達完成從瓶底向瓶口方向的正趨化運動，建立了瓶狀膠體馬達趨化運動的扭矩驅(qū)動再定向微觀機制。盡管與天然細菌趨化性的微觀機制不同，該瓶狀膠體馬達仍可模仿大腸桿菌的趨化運動行為，為定向運動化學(xué)驅(qū)動膠體馬達的設(shè)計提供了重要的理論和實驗依據(jù)，也推進了膠體馬達和游動納米機器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。（來源：哈工大）