SiO2/Au/Urease罐状酶驱动微米马达的制备及其运动性能的研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

在当今时代,人类疾病的治疗大多都是采用药物治疗的方法,但是一般的药物治疗是随着血液在全身流动,因此在作用部位难以聚集累积,使得药物的作用效果大大减弱。微纳米马达可以定向运动,从而使其在生物医药方面拥有广阔的前景,因此将微纳米马达用于疾病治疗成为国内外众多研究者的推崇。但是这也对微纳米马达提出了一系列的要求,例如拥有足够大的推动力以克服血液的粘滞力,可以定向运动到病变区域并自主的进行药物的装载和释放,具有生物相容性,对生物体没有危害等等。现如今,研究者已经研究出了很多种驱动微纳米马达的方法,例如外场驱动,生物体驱动,化学/生化学驱动等等。而外场驱动主要包括光驱动,电驱动,超声驱动和磁驱动,对于光驱动来说,紫外光的穿透能力太弱,阻碍其应用于生物体当中,而所需红外光的光强太强,容易使生物组织局部过热而造成伤害。而将电驱动应用于生物体中比较危险。超声驱动受到燃料的限制,当燃料用完时粒子将停止运动,使得粒子寿命较短。磁驱动可以无线,远距离的控制粒子的运动方向,受到很多研究者的青睐,但是所用的磁性材料ni是生物不相容的,并且磁驱动需要一个三维空间内的匀强磁场,当此方法用于人体时则所需的设备十分巨大,并且磁驱动不能对马达进行一个精准的控制。对于生物体驱动来说必须给予生物体适宜的营养条件才能使生物体驱动的马达保持生理活性,因此如何延长生物混合马达寿命还是一个严峻的挑战。对于化学/生化学驱动来说,一般都是通过化学或者生化学反应用金属或者催化剂使燃料反应,从而推动粒子运动。其中反应一般都会产生气泡,而气泡驱动的马达推动力大,因此本项目中采用化学反应产生气泡的方式推动马达运动。

现如今,由于气泡驱动的马达推动力大,且运动不受介质中离子浓度和粘度的影响,可以解决马达在血液中克服粘滞力而运动的问题,因而被广泛关注,但气泡驱动大多采用双氧水作为燃料,然而高浓度的双氧水具有强氧化性,不适合在生物体内应用。为了得到一种可以在生物体中自驱动的马达,国内外都在进行广泛的研究,现在较多的解决方案包括两种,一种是降低双氧水的含量,利用催化作用更强的催化剂,例如ma等人利用过氧化氢酶催化过氧化氢得到氧气推动马达,但是这种方法还是需要用到双氧水,因此近几年研究者们又研究出了另一种方法,是用水,尿素和葡萄糖等生物相容性的物质作为燃料来推动粒子运动,例如我们实验室曾利用mg和水反应产生氢气推动马达运动,但是这种粒子一旦将mg消耗完就会停止运动,因此粒子的寿命比较短。ma等人利用脲酶催化尿素和葡萄糖氧化酶催化葡萄糖,但是他们都没有产生气泡,因此驱动力较低,并且用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖会产生双氧水,对人体有一定的危害。 philipp s. schattling则是利用铂和葡萄糖氧化酶共同作用催化葡萄糖产生氧气推动马达运动,铂可以分解葡萄糖氧化酶和葡萄糖反应产生的双氧水,使粒子变得生物相容,但是由于铂分解双氧水的速度较低,并且他们采用双面神粒子,不容易产生气泡,因此此方法没有产生气泡,驱动力也较弱。为了解决这个问题,本项目提出在罐状微米马达内表面进行功能化,利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶两步反应分解葡萄糖产生氧气来驱动马达。葡萄糖氧化酶与溶解氧反应生成葡萄糖酸和过氧化氢,而过氧化氢则在过氧化氢酶的作用下反应生成水和氧气,推动粒子运动,并且循环补充血液中的溶解氧。这个串联反应中,过氧化氢酶催化分解过氧化氢的速度很快,并且产生了氧气,推动力较强,可以有效的解决驱动力的问题。而葡萄糖作为反应底物在人体血液中含量丰富,约为3.89-6.11 mmol/l,葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶在人体中也是生物相容性的。反应产生的葡萄糖酸,水和氧气都是生物相容性的。而粒子的运动速度可以通过调控两种酶的含量实现。

本项目采用的罐状马达(也称为反双面神马达)形状特殊,天生就具有不对称结构,易于粒子的运动。并且由于双面神马达的气泡在外部产生,接触角大于90°,而罐状马达的气泡是在粒子内部产生,气泡生长时接触角小于90°,因此更有利于气泡的生成,从而产生更大的推动力。罐状马达既有双面神马达不对称结构的特点,又比传统的双面神马达多一倍的可用于功能化的外部表面,为日后的功能化打下坚实的基础。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究基本内容、目标

本课题主要研究葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶串联反应催化葡萄糖产生氧气推动罐状马达运动,具体研究内容如下:

(1)探究酶驱动马达的运动规律,包括粒子能够运动的最小粒径和最低的葡萄糖浓度;

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3. 研究计划与安排

第1-4周:查阅相关文献资料,翻译英文文献;整理资料,在任务书的基础上,设计研究方案,确定切实可行的实验技术路线,了解相关的结构和性能的测试方法;撰写开题报告,开题答辩;

第5-8周:按照设计方案,完成罐状微米马达的制备以及材料表征。

第9-12周:研究微纳米马达化学反应动力学得到酶的最佳含量比。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 孔磊, 牟方志, 姜玉周, et al. 自驱动微纳米马达的设计原理与结构简化方法[j]. 科学通报, 2017, 62,107–121.

[2] xu t, gao w, xu l, et al.micro-/nanomachines: fuel-free synthetic micro-/nanomachines[j]. advancedmaterials, 2017, 29(9):1603250.

[3] xu l, mou f, gong h, et al.light-driven micro/nanomotors: from fundamentals to applications[j]. chemicalsociety reviews, 2017, 46(22):6905–6926.

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