摘 要

微纳米马达是一种可以从周围环境中获取能量并将其转化为自身动能的微纳米器件。根据其驱动方式，可以分为外场驱动微纳米马达和自驱动微纳米马达。外场驱动马达需要通过外加能场，例如光能、磁能、电能、超声能等驱动马达运动。自驱动马达则不需要外界条件，利用环境中的其他能量，实现自主运动，因此在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面拥有广阔的应用前景。

Mg基马达作为一种特殊的自驱动微纳米马达，突出的优势是可以以水作燃料进行驱动，因其良好的生物相容性和环境友好性受到了研究人员的广泛关注，但是Mg基马达由于快速的Mg-H₂O反应导致的运动寿命较短也在一定程度上制约了其进一步应用。本文以Mg/Pt-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）双面神微米马达为主要研究对象，通过Mg基马达形貌和结构的控制以及马达运动环境多样化，探究了该马达的运动寿命及分步运动行为。通过在制备过程中控制Mg微球在PVP薄膜上的沉降时间，可以控制双面神马达的开口大小，达到延长微米马达的寿命和控制马达在水溶液体系中的运动速度的目的。同时研究得到，在Mg-H₂O反应完成后，通过Pt对H₂O₂的催化分解作用可以使马达在H₂O₂溶液中再次运动，并探究了H₂O₂浓度对马达运动速度的影响。

关键词：微纳米马达，Mg，自驱动，寿命，分步运动

Abstract

Micro/nanomotors (MNMs) are micro/nanoscale devices that can harvest energy from their surroundings and convert it into mechanical energy to generate motion. According to the way they are propelled, they can be divided into external-field-driven MNMs and self-driven MNMs. The formers are propelled by other energy from external energy fields, such as light, magnetic, electric and ultrasonic. Self-driven motors usually obtain driving forces for surroundings to induce autonomous motion. Therefore, they show broad application prospects in drug transportation, biosensing, cell separation, microsurgery and environmental management, et al.

As a special type of self-driven micro/nanomotors, magnesium-based MNMs have received wide attention from researchers because of its good biocompatibility, environmental friendliness. In this study, we take Mg/Pt-Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) Janus MNMs as an example and pay attention to their lifetime and step-by-step motion behaviors. The opening size of the Janus MNMs can be controlled by adjusting the settling time of Mg microspheres on the PVP film during the preparation process. Then the lifetime of the as-prepared Mg-based MNMs can be extended and the moving velocities can be controlled. At the same time, it has been found that when Mg-H₂O reaction finished, the catalysis between Pt and H₂O₂ can make the MNMs move again in the H₂O₂ solution. The effect of H₂O₂ concentration on the velocity of MNMs has also been studied.

Key Words：micro/nanomotors, magnesium, self-driven, lifetime, step-by-step motion

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 微纳米马达介绍 1

1.2.1 外场驱动微纳米马达 2

1.2.2 自驱动微纳米马达 3

1.3 镁基马达介绍 5

1.3.1 镁基马达在环境中的应用 6

1.3.2 镁基马达在生物体医学上的应用 7

1.4 课题研究背景与研究内容 8

第2章 Mg/Pt-PNIPAM微米马达的制备、运动寿命及运动行为研究 10

2.1 引言 10

2.2 实验部分 11

2.2.1 实验试剂 11

2.2.2 实验仪器与设备 12

2.2.3 实验过程 12

2.2.4 样品测试与表征 14

2.3 结果分析与讨论 15

2.3.1 不同沉降时间Mg/Pt-PNIPAM微米马达的形貌及开口大小 15

2.3.2 不同沉降时间Mg/Pt-PNIPAM微米马达的寿命及运动行为 16

2.3.3 Mg/Pt-PNIPAM微米马达在H₂O₂中的运动行为 17

2.3.4 Mg/Pt-PNIPAM微米马达的运动机理 19

第3章 结论与展望 21

3.1 结论 21

3.2 展望 21

参考文献 23

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 引言

马达和机器是日常生活的重要组成部分，很难想象一个没有它们的世界，可以肯定地说，由水、风、电和燃料驱动的机器在文明的发展中发挥了重要作用，人类的生活不可能离开他们 ^[1]。同样，微生物马达和机器是每一个活细胞和有机体的重要组成部分^[2]。自然界通过数百万年的进化创造了高效的生物微纳米马达，他们通过富含能量的生物分子的自发反应，例如生物燃料三磷酸腺苷（ATP）的水解获得能量，参与到许多生物过程和细胞活动中^[3,4]，例如蛋白质的合成，DNA的复制，细胞的分裂和运动等^[1]。在自然界的生物马达启发下，科学家们投入了大量的精力来开发能够模拟这些令人惊叹的自然系统功能的人工微纳米马达^[5]。

微纳米马达是一种可以从周围环境中获取能量并将其转化为机械能以产生运动的微纳米器件^[6]。早期微纳米马达的研究方向主要集中在分子马达^[7]和液态马达^[8]上，近几十年中，由于微纳米领域相关科学技术的进步，基于各种聚合物金属^[9]、无机非金属^[10]以及其他复合材料的固体微纳米马达已经开始大量研究。现如今，微纳米马达已经能够在完成包括无创手术^[11,12]、靶向药物递送^[13-15]、细胞操作和分离^[16,17]、生物成像或生物传感^[18,19]、环境监测和修复^[20,21]等任务上提供重要帮助。

1.2 微纳米马达介绍

微纳米马达在环境、生物、传感以及微纳米加工等领域都有着广泛的应用前景。在几十年的研究发展中，为了让微纳米马达具有不同的功能特性，完成不同种类的任务，马达的种类也越来越丰富多样。马达的运动，往往需要燃料的消耗或是其他能量的转化来提供动力，根据驱动方式的不同，可以将其分为外场驱动马达和自驱动马达。外场驱动马达是将环境中的其他能量，例如光能、磁能、电能、超声能等转化为机械能以产生自身运动，常见的驱动方式包括光驱动^[22]、磁场驱动^[23]、电场驱动^[24]以及超声驱动^[25]等。自驱动微纳米马达则不需要额外的外界条件，能够在燃料中产生自主运动，可以根据驱动的原理不同分为自电泳^[26]、自扩散泳^[27]、自热泳^[28]以及气泡的反冲驱动^[29]等类型。除驱动方式外，还可根据形态结构的不同，将马达分为双面神结构^[30]、管状结构^[31]、棒状结构^[32]以及不规则球形结构^[33]等。

1.2.1 外场驱动微纳米马达

定向运动是微纳米马达在某些应用中必不可少的能力，外场驱动微纳米马达往往通过外加物理场的方式控制马达的运动行为，利用外加磁场控制马达运动是其中最常用的控制方法^[34]。

微纳米马达的磁性定向运动可以通过在马达上结合可以被外部磁场磁化的铁磁性材料来实现。Larysa Baraban等人在二氧化硅微球表面沉积了人工设计的磁性多层材料Pt(1 nm)/[Co(0.3 nm)/Pt(0.8 nm)] 8 /Pt(5 nm)，并将其置于磁场中磁化，之后在最外层沉积Pt层，成功利用外部磁场控制了这种双面神微米马达的运动^[35]。进行磁化的磁场方向沿双面神粒子的轴向，根据磁场方向的不同，可以产生两种不同方向的总磁矩，如图1.1A（a）所示。选取磁矩向里的微米马达，置于H₂O₂水溶液中，由于Pt的催化作用H₂O₂分解产生O₂，使马达表面形成氧浓度梯度而产生运动。如图1.1A（b）所示，当施加外部均匀磁场时，马达沿磁场方向运动，磁场反向时，运动方向也随之反向。

磁场驱动微米马达由于需要具有部分磁性材料，制备过程较为复杂，提高了制备难度和不确定性，难以大规模生产应用。

考虑到光源应用的简便性，利用外部光源驱动微纳米马达也是目前研究中常用的一种方法，通过紫外光源控制TiO₂马达运动是其中研究的热点。将H₂O₂作为TiO₂微纳米马达的燃料，在紫外光的照射下，TiO₂会催化H₂O₂发生光分解，如式（1.1）至（1.3）所示。

（1.1）

（1.2）

（1.3）

最近Chen等人报道了一种智能光响应的球形TiO₂微纳米马达^[36]，各向同性的TiO₂ 微米马达在紫外光的照射下催化H₂O₂燃料分解，由于光的有限穿透深度引起光催化反应的不对称性，从而导致马达两侧产生的O₂浓度不同，形成O₂浓度梯度使马达产生定向运动，如图1.1B所示。

由于这种微纳米马达只有在紫外光照射下才能运动，因此可以利用紫外光灯的开关控制马达运动的启停，通过调控光源的强度控制马达运动速度的快慢，实现马达的精确控制。外部光源的施加操作简便，可精确定位，并且相应马达的制备也较为简单，具有磁场驱动马达没有的优势，是控制马达运动较为理想的手段。但由于光的穿透距离较短，在控制机理的限制下，不适合在封闭管道、较深水体等环境中应用。

除利用外部磁场和光场控制马达运动外，超声场也是一种常用的外场。Wang等人提出了一种利用超声驱动的管状金属微米马达，马达中含有捕获的全氟化碳（PFC），在超声波的作用下会产生PFC气泡，使马达能够在气泡的作用下轴向推进^[37]，如图1.1C。这种马达（长度为几十微米）的速度可以达到6.3 m/s，具有的能量足以深入羊肾组织。这些超声微管马达的速度和功率可以由超声波的脉冲长度和振幅来调节。

图1.1 （A）磁场驱动双面神微米马达（a）制备过程中施加不同方向的磁场所形成的两种磁矩的马达；（b）马达运动机理示意图^[35]。（B）各向同性的TiO₂ 微米马达（a）由于光照穿透深度有限而引起的马达线性负趋光性示意图^[36]；（b）在不同的光照时间下，马达周围O₂分布的数值模拟结果。（C）超声驱动的管状微米马达运动机理示意图^[37]。

1.2.2 自驱动微纳米马达

与外场驱动微纳米马达相比，自驱动微纳米马达不需要外界条件的添加产生运动，具有独特的自主运动特性，可在液相介质中装载、运输和释放各种微纳米货物, 因此在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面有着很多引人注目的应用前景^[38]。在自驱动微纳米马达的运动机理中，除气泡反冲驱动外，自电泳、自扩散泳、自热泳等驱

图1.2 （A）Paxton等人制备的Pt/Au双金属纳米马达及其运动机理示意图^[40,41].（B）在稀释的Br₂溶液中Cu/Pt纳米棒的运动示意图^[43]。（C）聚合动力微米马达在非电解质的扩散泳中的驱动机理示意图^[27]。（D）气泡反冲驱动的Fe/Pt双层管状催化微米马达在水资源净化中的应用示意图^[45]。

动方式都属于自泳驱动，是由于产物或热量非对称地释放在马达周边形成了局部电场、浓度梯度、表面张力梯度和温度梯度等，导致了马达的运动^[39]。本质在于构建一个非对称场, 通过非对称场来打破马达的静力平衡, 使微纳米马达产生运动。

与普通电泳不同，微纳米马达对外加电场没有响应，而是通过化学梯度产生一个局部电场，并响应这个自生电场进行运动。Paxton等人最初发现的Pt/Au纳米棒马达的运动机理就是自电泳作用，在过氧化氢的催化分解作用下产生局部电场，为纳米棒提供动力^[40,41]，如图1.2A所示。除H₂O₂外，一些其他燃料也可以用于驱动自电泳型的微纳米马达。Ibele等人研发了一种以肼（N₂H₄）及其衍生物非对称-N,N-二甲基肼（N₂Me₂H₂）为燃料的微米泵系统^[42]。在实验中，通过光学示踪技术以及Au和Pt电极上混合电位的测量，证实了肼（及其衍生物）优先在电极表面上被氧化或还原，导致了类似于H₂O₂纳米马达系统中的电动力学流动。并且还发现，由于Au和Pt在不同燃料中的混合电势不同，微米泵在N₂H₄和N₂Me₂H₂运动方向不同。Liu等人展示了另一种双金属纳米马达系统，其中Cu/Pt纳米棒（长3-4micro;m，直径约300nm）在稀释的I₂或Br₂溶液中以大约10micro;m / s的速度自主运动（图1.2B）^[43]。这种Cu/Pt纳米马达系统在催化活性表面的燃料浪费较少，因此比Au/Pt纳米马达具有更高的能源效率。

自扩散泳的产生是由于马达自身与燃料溶液反应，在其周围产生浓度梯度，从而导致马达沿梯度方向产生定向运动。Pavlick等人观察到了在非电解质的浓度梯度中粒子的自扩散泳动^[27],在Au/SiO₂双面神微米马达的二氧化硅一侧，涂覆上一种聚合物催化剂（Grubbs olefin metathesis catalyst，格拉布斯烯烃复位催化剂），这种马达在单体溶液中表现出明显增强的扩散运动。如图1.2C所示，流体从单体浓度低的马达一侧流向单体浓度高的一侧，从而驱动马达向相反的方向运动。

与自泳驱动稍有不同的另一种自驱动机理是气泡反冲驱动，这一机理在2002年由Whitesides课题组提出^[44]，是最早出现的一种驱动方式。与自泳驱动相比，气泡反冲驱动具有驱动力大、速度快等优点。Lluıacute;s Soler等人提出了一种管状催化微米马达，由卷起的Fe/Pt双层功能性纳米膜构成，可以通过芬顿氧化法（the Fenton oxidation process）降解水中的有机污染物^[45]。如图1.2D所示，这种马达的内部Pt层用于自推进，外部Fe层用于生成亚铁离子，修复水源污染。

1.3 镁基马达介绍

目前所研究的大多数自驱动微纳米马达需要H₂O₂、 Br₂、I₂或其他酸性、碱性溶液作为燃料，这些燃料具有很强的氧化腐蚀作用，不具有生物相容性，这一点严重阻碍了自驱动微纳米马达在生物和环境系统中的实际应用^[46]。。为了马达的应用具有更好的生物相容性和环境友好性，研究者们最近开发了一种由水驱动的活性金属微米马达，这种马达与水发生剧烈反应，产生氢气作为驱动力^[47]，有效地解决了燃料具有毒性的的生物不相容问题。然而，大多数产生氢的活性金属，如钾、钙和钠，即使在室温下，在空气中也太不稳定，不能用于微纳米马达的设计。另一方面，金属铝由于会在表面形成致密的氧化物钝化层而能够稳定存在，但也因为钝化层而不能连续与水反应放出氢气。虽然Wang等人已经找到了解决办法^[48]，但Al-水反应的产物对与动物和人体是有害的，因此不能实现在生物医学上的应用。

而金属镁具有生物相容性，已被作为可植入人体的生物降解材料^[49]。Mg² 离子是人体第四大最丰富的离子，是多种酶的辅助因子，对许多组织和器官的正常运作至关重要^[50]，并且相比于其他金属，镁既能较容易的与水反应产生氢气气泡，又不会因反应过于剧烈而难以控制，因此是应用于马达设计的良好材料。镁球表面存在致密的氢氧化物钝化层，阻碍了氢气气泡的连续生成，研究者们采用了不同的马达设计方案解决这一问题。Gao等人发现由于宏观电腐蚀和点腐蚀的协同效应，镁球表面薄金层和溶液中氯离子的存在可以增强Mg-水反应，使氢气气泡连续生成，从而推进海水驱动的镁基微米马达^[51]，如图1.3A。Mou等人通过NaHCO₃水溶液溶解Mg/Pt双面神微米马达的Mg(OH)₂钝化层，增强镁水反应，以驱动微米马达的运动^[47]，如图1.3B。Mg可以在与水相关的环境中甚至在血液中为微米马达提供动力，使其成为一种有广阔前景的候选材料。

图1.3 （A）Mg/Ti/Ni/Au双面神微米马达在海水中运动示意图^[51]。（B）由Mg-H₂O反应产生的氢气气泡驱动的Mg/Pt双面神微米马达^[47]。

1.3.1 镁基马达在环境中的应用

微米马达通过产生微气泡以及自身的运动引起流体流动，能够增加水溶液中的传质，提高局部流体混合程度，从而显著提高环境修复过程的效率^[52]。与早期依靠有毒燃料的微米马达不同，水驱动的Mg基马达不需要添加额外燃料，并且在净化处理中也不会产生有害的化学废物^[51]。因此，水动力Mg微米马达与活性表面和功能材料的结合可以为各种环境清洁应用开辟新的领域。

Sanchez等人最近提出的Ag纳米颗粒（NP）修饰的Mg微米马达在水的快速消毒方面具有相当大的前景^[53]。这种球形双面神结构的马达以Mg微球为基板，并将其作为与水反应产生氢气气泡的推进部分，之后沉积Fe层，用于远程制导和收集，再在外层沉积Au层并用AgNPs修饰，用于细菌粘附和提高杀菌性能，如图1.4A。

在另一个最近的研究中，Rojas等人研发了基于Mg微米马达，用于同时降解和检测食品和生物样品中的邻苯二甲酸二苯酯（DPP）的方案^[54]，如图1.4B所示。Mg微米马达产生羟基离子将DPP降解为苯酚，同时流体流动行为的增加使分析信号显著提高。这种方法已成功地应用于食品样品和生物样品的直接分析中，无需任何样品预处理。

图1.4 （A）提高杀菌能力的AgNP修饰的Mg双面神微米马达^[53]；（B）用于同时降解和检测持久性有机污染物的基于Mg/Au双面神微米马达的“Shoot and Sense”策略^[54]。

1.3.2 镁基马达在生物医学上的应用

Mg基马达的生物相容性、高效运动和多功能性使其在生物医学领域具有广泛的应用前景。与自泳驱动的微米马达只能在低离子浓度环境下工作不同，Mg基马达的气泡推进有利于其在相关生物介质中的操作和应用。Mg微球马达的表面可以很容易地功能化，以适应不同的功能和应用。

Mou等人报道了自主运动的Mg/Pt-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）双面神微米马达在温度控制下，在模拟体液（SBF）或血浆中进行药物运输的行为^[55]。Wu等人通过在Mg微球表面涂覆红细胞（RBC）膜，金纳米颗粒（AuNPs）和藻酸盐，对模拟细胞水动力的Mg基双面神微米马达进行了进一步研究^[56]，如图1.5A所示。由此得到的红细胞膜包覆的Mg双面神微马达在没有任何外部燃料的情况下，在水中失去了有效的推进力，模仿了没有明显生物附着的自然运动细胞的运动。此外，RBC-Mg 双面神微米马达通过表面的RBC膜可有效吸收和中和生物毒素和神经毒剂模拟物。最近，Esteban-Fernaacute;ndezdeAacute;vila等人介绍了第一个使用Mg在小鼠模型中治疗疾病的例子^[57]，如图1.5B。乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和壳聚糖功能化Mg微米马达能有效地在小鼠胃内进行药物运输，与被动药物载体相比，能显著降低细菌负担。带正电的壳聚糖层使马达粘附在胃壁上，进一步促进pH触发的药物从表面PLGA涂层的高效自主释放。

图1.5 （A）RBC膜包覆的Mg基双面神微米马达结构模型^[56]；（B）（a）用于胃细菌感染体内治疗，能够主动给药的Mg基微米马达模型；（b）微米马达在体内进行药物运输和药物释放的示意图^[57]。

1.4 课题研究背景与研究内容

Mg基马达一种以金属镁为主体构造的一类微纳米马达，由于金属镁可以与纯水进行剧烈的化学反应，Mg基马达可以以纯水为燃料进行驱动。由于其突出的生物相容性、环境友好性和运动的高效性，在环境修复、药物释放或靶向运输等领域具有广泛的应用前景，并为下一代生物兼容和环境兼容型智能微纳米机器的发展奠定了基础^[52]。但是由于镁-水反应剧烈，目前开发的Mg基马达还存在着运动寿命较短，气泡释放速率过快的问题，因此研究者们通常通过改变微米马达的设计方案，改变马达的速率和寿命，以便将马达应用于不同领域。Mou等人提出的Mg/Pt-PNIPAM微米马达分别通过离子溅射和紫外光照射使水凝胶聚合的方法将Pt层和聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）层涂覆在Mg微球的部分表面上，形成双面神结构，这种马达能够通过温度激活表面涂覆的热敏性PNIPAM水凝胶来装载和释放药物分子。在SBF中的PNIPAM水凝胶层在30℃时会发生体积相变，之后由于系统动能的增加和与体积变化有关的 “挤压”效应，会在37℃时快速释放加载药物，因此这种马达可以用于生物体内的药物运输和温控给药^[55]。

本课题在此基础上，对Mg/Pt-PNIPAM双面神微米马达的寿命和运动行为进行了进一步研究。通过调控双面神结构的开口大小，减小镁微球裸露在外的表面面积，以减慢镁和水的反应速度，达到控制微米马达运动速度和延长其寿命的目的。另外，利用镁微球表面涂覆的Pt层可以催化H₂O₂分解的特性，进一步探究了镁-水反应结束后，微米马达在不同过氧化氢浓度下是否会发生运动以及运动的行为。因为在生物体的肿瘤微区内会有H₂O₂的存在，当微米马达在生物体内的其他位置向肿瘤微区运动时，会存在H₂O₂浓度的梯度分布，使马达的应用环境发生变化。这一研究打破了马达在单一体系内应用的传统，能够进一步延长马达的使用时间，同时为将来马达在生物医学方面的应用打下了基础。

第2章 Mg/Pt-PNIPAM微米马达的制备、运动寿命及运动行为研究

2.1 引言

微纳米马达由于其微小的体积、能够转换能量的特性以及独特的运动性能，在执行货物运输、化学传感、微纳米制造、显微手术等复杂任务上拥有巨大潜力^[58]。Mg基马达作为自驱动微纳米马达的一种，不仅可以在不需要外加条件的情况下自主运动，而且具有生物相容性、多功能性和运动的高效性等优于其他自驱动马达的特性。近年来，由于其广泛的应用前景和巨大的发展潜力，Mg基马达受到了许多科研人员的关注。

Mg基马达在水中可与水反应产生H₂气泡，以气泡反冲力作为驱动力进行自主运动，因而不需要其他具有氧化腐蚀性或毒性的燃料，所以具有生物相容性和环境友好性，可以用于环境治理优化和生物医学领域，并且在使用过程中不会有其他有害物质产生，是一种较为理想的微纳米马达。现阶段，对于Mg基马达在各领域应用的研究，已经取得了一些成果。例如水体污染物的降解净化，水环境的杀菌消毒，生物体内或体外的药物运输和释放等。但在目前的研究当中，Mg基马达还存在着使用寿命较短，放出气泡速率过快等问题。

本课题中，以双面神结构的Mg/Pt-PNIPAM微米马达为基础，探究了控制其开口大小，改变裸露在外的镁微球表面积，进而达到延长马达寿命以及控制马达运动速度的可能。并且以生物体内的肿瘤微区会存在H₂O₂为背景，探究了Mg-H₂O反应结束后，Mg/Pt-PNIPAM双面神微米马达在金属Pt层的催化作用下，在不同浓度的H₂O₂溶液中的运动情况。进一步延长了马达的使用寿命，并且为马达在不同体系和环境中的应用提供了可能，同时为今后马达在生物体内肿瘤治疗方面的应用奠定了基础。