前言:微纳米马达的化学机理和应用

正科幻小说和电影中常将宏观的物体缩小到微纳米尺寸,而后将其送入人体内执行各种任务.然而,无论是将物体缩小(从上而下),还是利用原子或分子堆砌成具有功能的机器(自下而上),都曾经只是人们的科学幻想.20世纪90年代以来,利用超分子化学的方法构建的分子机器一步步从想象走到了现实,受到科学界的瞩目,Jean-Pierre Sauvage,Sir J.Fraser Stoddart和Bernard L.Feringa三位科学家也因设计和合成出分子马达     

面向疾病应用的微纳米马达

微纳米马达是能将环境中的化学反应或外场(光、声、磁场、电场等)提供的能量转化为推进力,从而产生自主运动的微纳米级人造机器。由于具有集群效应、比表面积大、运动可控等多种特征,微纳米马达在环境修复、药物递送、微纳手术、抗感染、重金属清除等诸多领域受到关注。在一定条件下,微纳米马达能主动运动并聚集到病灶,将治疗或诊断药物递送到靶部位,有望在人体复杂环境中进行精细化的工作。因此,微纳米马达在疾病预防、诊断、治疗以及预后中具有巨大的发展空间。在此,本综述首先对微纳米马达进行简要介绍,包括其结构设计、驱动方式。其次,详细介绍微纳米马达在不同类型的疾病中的研究进展。最后,提出目前该技术面临的挑战与未来发展方向。     

微纳米马达在药物递送中的应用

受到自然界中高效生物马达的启发,研究人员提出了人工微纳米马达的概念,即人工微纳米动力装置。目前,通过结合化学与其他交叉学科的先进技术,研究人员已制备出具有不同结构、驱动方式以及控制方式的人工微纳米马达。这些微纳米马达在传感、环境治理、生物医用等方面展现出广阔的应用前景。其中,药物递送是生物医用领域的重要方向。在这一方面,利用微纳米马达可以实现药物的有效递送,给癌症等疾病的治疗带来新的可能。本文将针对用于药物递送的微纳米马达的驱动机理、基本结构、运动控制这几个方面进行综述,首先介绍了马达的运动机理,其驱动机理可分为自场驱动和外场驱动;其次,分别介绍了可用于药物递送的微纳米马达的结构,主要包括聚合物囊泡、空心管、纳米线等;为了实现精准有效的药物递送,微纳米马达的可控运动非常重要,本文将具体阐述微纳米马达的开-关控制、方向控制和速度控制。最后,分析了药物递送微纳米马达的研究现状,并对本领域的未来方向进行了展望。     

微/纳米马达在生物传感中的应用

微/纳米马达是近年来发展的一种可自主运动的新型微/纳米材料,它制备简单、形态多样、可批量化生产,已逐渐应用于生物样品分析及药物运输等领域。由于生物样品成分复杂,传统检测常常需要多步清洗和分离,操作繁琐、耗时较长。微/纳米马达具有自主运动的特性,通过表面生物功能化,可制备成动态的微型生物传感器,实现多种生物分子如核酸、蛋白质、糖蛋白等的实时、快速和灵敏检测。本文总结了近几年微/纳米马达的发展及其在生物传感中的应用,并展望了其在生物分析中的应用前景。     

生物酶驱动的微纳米马达在生物医学领域的应用

生物酶驱动微纳米马达是指利用天然酶催化分解过氧化氢、葡萄糖、尿素和甘油酯等燃料来提供动力的一种新型微纳米机器。生物酶驱动的微纳米马达具有良好的生物相容性,能够在原位利用生物燃料实现自主靶向运动,无需外加原料,这使得生物酶驱动的微纳米马达在生物医学领域展现出巨大的发展潜力与前景。目前,生物酶驱动的微纳米马达在生物医学领域的应用得到众多科学家的关注,但是时至今日,还没有一篇及时、全面、着重地讨论生物酶驱动微纳米马达在生物医学领域应用的综述文章。基于本课题组的研究经验以及目前该领域的发展情况,本文着重讨论不同种类生物酶驱动微纳米马达在疾病诊疗等生物医学领域应用的最新进展,包括生物标志物的检测与诊断、成像显像剂、癌症和其他疾病的治疗等。最后,本文对该领域的发展与未来研究方向提出展望,为实现以“面向世界科技前沿、面向人民生命健康”为目标的“人类卫生健康共同体”提供新的思路和方向。     

仿生螺旋结构微马达研究进展

微型马达是对传统马达系统的功能拓展和有益补充,在污水处理、环境监测修复、靶向手术和药物输送等方面拥有潜在应用前景。在流体环境中,高效率驱动性能是微型马达面临的重要挑战。依据理论和研究实践,人们普遍选择仿生螺旋结构作为马达的微驱动策略,并取得诸多新进展。本文从螺旋结构驱动的理论研究、螺旋微结构制备方法、螺旋马达的驱动机制和应用基础研究等几个方面系统性综述了该领域近年的进展情况。最后提出了当前研究中亟待解决的科学问题并展望了未来重点研究方向。     

微纳米马达的运动控制及其在精准医疗中的应用

人工微纳米马达是模仿自然界中的生物马达制备而成的微纳尺度动力装置,具有稳定性高、制备简单、可批量生产等优点,在生物医学领域有广阔的应用前景.本文详细阐述了磁能、电能、声能、光能及热能等多种微纳米马达的运动控制方式,总结了其在核酸、蛋白质、细胞以及细菌等的装载、运输、释放和检测方面的研究进展,并讨论了其在精准医疗领域面临的挑战和未来的发展方向.     

Ni-Mn双金属氧化物微马达用于高效染料吸附

通过水热结合高温退火的方法制备了一种Ni-Mn双金属氧化物微马达,所得Ni-Mn双金属氧化物具有针刺状空心结构,可作为马达材料。该Ni-Mn双金属氧化物微马达在燃料(H₂O₂)质量分数仅为1%时显示出很强的驱动能力,运动速度为83.75μm·s^-1,寿命高于90 min。即使在H₂O₂质量分数低至0.4%时,该马达仍具有优异的自主运动。由于镍氧化物的存在,该马达可通过磁场控制实现定向运动。得益于优异的催化性能和磁性,该Ni₆MnO₈马达可在160 s内有效去除亚甲基蓝,且没有二次污染。     

自驱动微纳马达在水环境领域的研究进展

可持续发展是当今世界面临的重大挑战,其中水环境问题尤为复杂和困难.微纳马达是具有截然不同物理或化学性质的微纳功能材料,在不同的外部激励条件下可以建立起极大的梯度场并形成自驱动,这一特性为特定的水环境问题提供了有效的解决方案,而水环境也被认为是这一新兴材料重要的应用场所之一.本文重点综述了近年来利用微纳马达的自驱动性质进行水环境监测和水体修复等方面研究的进展.此外,本文还给出了主动输运及膜过滤过程与微纳马达运动机理的关联,并对如何利用自驱动性质回收微纳马达进行了讨论,以减少微纳马达自身对环境的影响.最后对这一领域未来的研究进行了展望.     

微纳马达的聚集与分散行为及其机理解析

微纳马达是一种能被多种能量(化学能、光能、声能、电能、磁能等)激活而发生运动(旋转、穿梭、聚集、扩散等)且尺寸为微米或纳米级的功能器件。其具有体积较小、可控性好、制备简单等优点,在诸如纳米自组装、聚合物降解、药物运输、水污染治理等多个领域展现出较好的应用前景。微纳马达的聚集与分散行为是马达非常重要的群体行为,聚集状态下可大幅提升马达执行任务的效率,分散状态下又可成为独立的个体,各自运动,执行各自的使命。本文概述了近年来微纳马达在聚集与分散行为方面的重要研究进展和最新研究成果,详细叙述不同刺激下两者之间的转换过程及其机理,为深入开展微纳马达动态行为的科学研究提供一定的借鉴和参考。     

气泡驱动型微马达功能材料可控制备研究新进展

气泡驱动型微马达功能材料由于能分解化学物质产生气泡,从而驱动自身运动、强化流体混合与传质,因此在污染治理、药物传送、环境监测、物质分离以及疾病诊断等方面展现出了独特的优势和极大的应用前景.制备该微马达功能材料的关键在于如何在其中可控构建非对称的结构.本文主要介绍了近年来可控制备具有多样化结构和功能的气泡驱动型微马达功能材料的研究新进展,着重介绍了如何基于非对称结构的构建来设计和制备颗粒状和管状等结构的新型微马达功能材料,以及如何在微马达中巧妙整合多样化功能组分和结构来实现其多功能化,以期为创新设计和可控制备具有独特结构和先进功能的气泡驱动型微马达功能材料提供新的途径和指导.     

自卷曲技术在微型储能器件上的应用

微型能源存储器件在可穿戴电子产品、微型自驱动探测器等领域有重要的应用前景,同时为研究储能器件电极结构、电子/离子传导率以及电化学动力学之间的内在联系提供了理想的平台。自卷曲技术是利用材料内部存在的残余应力而实现二维薄膜材料自行弯曲的一种方法。相比于传统微纳制备工艺,这种方法可以在微米尺度下将二维薄膜电极材料有序卷曲排列,为微型储能器件的制备提供了有效、便捷的途径。本文介绍了近些年自卷曲技术在微型能源存储器件上的重要进展,其中包括材料自卷曲的原理、自卷曲电极及其储能性质,并以此为基础,着重阐述了自卷曲技术制备单根管微型锂离子电池和电容阵列的应用实例。总结并展望了自卷曲技术在微型储能器件应用上的未来挑战和重要机遇。     

基于微/纳马达的智能癌症诊断、递送及治疗

癌症严重威胁着人类的生命健康,早期的诊断和治疗对于提高癌症治愈率、挽救人们的生命有着至关重要的作用。随着纳米科技的发展,具有自主运动性能的微/纳马达为癌症的诊断与治疗带来了新的发展契机。微/纳马达能够有效地将多种能量(光、声、磁、电、热等)转化为自身运动的动能,有望在微米或纳米空间内执行各种复杂而精确的任务,这在智能化癌症诊疗领域具有得天独厚的优势。目前,已成功制备出不同形状的微/纳马达,比如线状马达、微管马达、Janus双面神结构马达等,促进了一系列新型诊断方法、胞内递送系统及光治疗策略等的发展。本文主要总结了微/纳马达在智能化癌症诊疗领域的研究进展,首先从化学场驱动与物理场驱动这两个角度总结了微/纳马达在检测和靶向递送方面的最新研究进展,并进一步总结了微/纳马达在癌症光治疗领域的应用进展,最后探讨了目前存在的问题及未来的发展方向。     

管状电沉积铀靶的制备和检测

研究了管状电沉积铀靶的制备工艺,确定了铀的最佳电沉积条件,并对电沉积铀靶的电沉积量、均匀性、牢固性、堆照核发热及热传导等检测分析技术进行了研究,建立了电沉积铀靶的检测分析流程,对于铀靶的质量检测和靶件在反应堆内的辐照安全评价具有重要意义。     

分子马达的研究进展

本文对国内外分子马达的研究现状进行综述。并以生物中的关键酶ATP水解酶类(F0 F1 ATPase)为例 ,对其运动特点进行较详尽的描述 ,它是一类做圆周运动的旋转马达。同时还讨论了一些做直线运动的分子马达 ,如肌球蛋白 ,驱动蛋白等。并对分子马达的运动机理提出一些相应的观点 ,对分子马达的应用进行了展望     

磁性壳聚糖微球的制备和应用

磁性壳聚糖微球是通过一定的方法用壳聚糖将磁性材料包埋而形成的磁性微球,其内核为纳米级的磁性金属微粒,外层为壳聚糖.壳聚糖含有大量的氨基和羟基,使其具有特定的理化性质,由此奠定了壳聚糖的许多生物学特性及加工特性的基础.另一方面,其磁性内核使磁性壳聚糖微球具有很好的顺磁性,利用外加磁场可以很方便地进行分离.因此磁性壳聚糖在固定化酶、污水处理、食品工业和生物医药等方面具有广泛的用途,磁性壳聚糖的制备及应用的相关研究也越来越受到重视.本文作者对磁性壳聚糖微球的制备和应用进行评述.     

气凝胶微球的制备和应用

与传统的块状气凝胶不同,气凝胶微球是一种具有独特结构的新材料。它既由纳米级材料构建,又有微米级尺寸,同时还具备气凝胶特有的热、声、光、电性质和复杂的三维网络拓扑结构,在生物医药、环境修复、功能性载体、能源存储和转化等领域具有广泛的应用潜力。近年来,国内外关于气凝胶微球的研究进展迅速,但关于气凝胶微球的综述还没有报道。本文结合气凝胶微球领域最新的研究进展,从气凝胶微球的制备方法、种类以及不同种类的气凝胶微球在环境、医药、能源领域的应用等方面进行了综述。     

二氧化硅中空微球的制备及结构调控

在St9ber法制备间苯二酚甲醛树脂(RF)微球的过程中,向体系中添加柠檬酸可以促进微球长大.以RF微球为模板,并结合酸洗除模板的方法,制备了一系列表面具有树莓状结构的中空二氧化硅微球(h-SiO_2);固定柠檬酸的浓度,同时向体系中添加三氯化铁,所得h-SiO_2的尺寸随着三氯化铁加入量的增加而减小,且微球表面逐渐变得光滑.对比实验结果表明,三氯化铁的加入有助于RF模板的去除,有利于制备具有高比表面积的产物.采用这种方法还可以制备金纳米粒子负载的中空二氧化硅微球(Au@h-SiO_2),在硼氢化钠还原亚甲基蓝的反应中显示出良好的催化活性.     

PET/PTT双组分弹性长丝的结晶取向结构和卷曲性能

为研制军官礼服用PET/PTT双组分弹性长丝,在纺丝加工工艺研究的基础上,通过声速法、WAXD、DSC、Instron5566对典型工艺下的弹性长丝进行了结晶和取向结构及卷曲性能的测试分析.在可纺的前提下,PET/PTT两组分复合纺丝中,PET组分优先结晶,具有高于其单组分纤维的拉伸诱导取向和结晶;而PTT组分只有形变,其结晶度和晶区取向均低于其对应的单组分纤维.在实验条件范围内,两组分粘度差异越大,纤维的卷曲伸长率和收缩率越大、声速取向因子增加、各单组分结晶度增加;两组分质量比为50/50时,纤维有最大的卷曲伸长率和收缩率,且各单组分结晶度随该两组分含量差异的增加而减少,而声速取向变化相反;随牵伸比的增加,纤维的整体取向、各组分结晶度均有所增加,卷曲伸长和收缩率也增加.牵伸温度和定型温度对双组分纤维的结构和卷曲性能影响较小.     

阳离子聚合物微球的制备和应用进展

全面介绍了合成阳离子微球的常用方法,着重阐述了(无皂)乳液聚合、分散聚合、微乳聚合的研究进展及阳离子微球在油田调剖、电流变液、生物医药领域的应用,系统归纳了阳离子微球表面电荷来源和国内外文献报道的常用阳离子单体,并总结了不同合成工艺的应用特点。最近,许多新的合成方法如点击化学、原子转移自由基聚合等应用于阳离子微球的合成,为控制微球的表面性能提供了新的途径。在此基础上,展望了阳离子聚合物微球未来发展方向和面临挑战。