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我国仿生趋化胶体马达研究获新进展，可望加快精准医疗转化进程

来源：科普中国

在国家自然科学基金的支持下，由哈尔滨工业大学医学与健康学院贺强教授、吴英杰副教授与中科院物理所杨明成研究员合作完成的一项科研课题“趋化胶体马达的扭矩驱动定向运动”，日前在线发表于最新一期国际权威期刊《德国应用化学》上。这项成果使学界对亚微米级仿生流线型胶体马达定向运动有了更深刻的认识，可望今后在药物靶向递送、光热治疗和生物毒素清除等生物医学领域取得新突破。

专家解释说，趋化运动是指可运动细胞对化学梯度的的直接反应，被称作化学趋化性，对许多生理过程都非常重要，在自然界的生物系统中扮演重要的“角色”。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。尽管已有研究从理论上预测了化学驱动合成马达可能像中性粒细胞一样，通过自我定向实现真正的趋化，但以往的实验观察只展示了化学活性依赖的聚集现象。

同时，要达到主动靶向递送、细胞手术等生物医学应用的目的，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。然而亚微米的尺寸亦使胶体马达的运动姿态变化难以被实时“捕捉”到，限制了对其趋化机制的深入探索。因此，如何设计合成能够满足未来生物医学需求、具有趋化能力的亚微米尺度胶体马达，仍是人们面临的一道棘手难题。

针对上述挑战，贺强教授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。这种奇特的烧瓶状胶体马达可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，展示了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、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、完成正趋化运动的完整轨迹。

贺强团队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形成的两个扩散泳力的差值，导致一个净自扩散泳力矩的出现。这一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。

专家评价指出，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，从而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，既能够帮助人们理解和调控活性物质，拓展对生命系统中自组织行为的认知，也加快推进了胶体马达和游动纳米机器人在精准医疗等方面的转化进程。

关键词： 浓度梯度 生物医学 定向运动

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