在國家自然科學(xué)基金支持下，我校醫學(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(xiàn)型膠體馬達的定向運動(dòng)研究方面取得最新進(jìn)展，研究成果以“趨化膠體馬達的扭矩驅動(dòng)定向運動(dòng)”為題發(fā)表于《德國應用化學(xué)》（Angewandte Chemie）。

趨化運動(dòng)在自然界的生物系統中起到重要作用。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域運動(dòng)。盡管已有研究報道從理論上預測了化學(xué)驅動(dòng)合成馬達可能會(huì )像中性粒細胞一樣，通過(guò)自我定向實(shí)現真正的趨化，但是已有的實(shí)驗報道只展示了化學(xué)活性依賴(lài)的聚集現象。同時(shí)，要實(shí)現主動(dòng)靶向遞送、細胞手術(shù)等生物醫學(xué)應用，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(diǎn)。然而亞微米的尺寸也使膠體馬達的運動(dòng)姿態(tài)變化難以被實(shí)時(shí)觀(guān)察到，限制了對其趨化機制的研究。因此，如何設計合成能滿(mǎn)足未來(lái)生物醫學(xué)應用需求、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(lái)生物醫學(xué)應用中亟待解決的難題。

針對上述挑戰，該研究團隊受自然界微生物泳動(dòng)和趨化行為的啟發(fā)，設計制備了亞微米尺寸、圓底燒瓶狀葡萄糖驅動(dòng)的仿生流線(xiàn)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域運動(dòng)和聚集，展示類(lèi)似細菌群體的集群趨化運動(dòng)行為。鑒于該膠體馬達的特殊瓶狀結構，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(gè)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(dòng)的全過(guò)程。結合實(shí)驗數據的物理分析、理論計算和介尺度模擬，發(fā)現瓶?jì)让复呋磻a(chǎn)生的葡萄糖酸稀釋了瓶口周?chē)钠咸烟菨舛忍荻龋靠诤推康滋帩舛忍荻人a(chǎn)生的兩個(gè)擴散泳力的差值導致一個(gè)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，驅使膠體馬達完成從瓶底向瓶口方向的正趨化運動(dòng)，建立了瓶狀膠體馬達趨化運動(dòng)的扭矩驅動(dòng)再定向微觀(guān)機制。盡管與天然細菌趨化性的微觀(guān)機制不同，該瓶狀膠體馬達仍可模仿大腸桿菌的趨化運動(dòng)行為，為定向運動(dòng)化學(xué)驅動(dòng)膠體馬達的設計提供了重要的理論和實(shí)驗依據，也推進(jìn)了膠體馬達和游動(dòng)納米機器人在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116013

膠體馬達自主感知并向高濃度葡萄糖區域運動(dòng)的趨化結果