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利用带有缺陷的纳米光纤实现对纳米颗粒的靶向运输和可控释放

Hongbao Xin，Baojun Li

摘要：靶向给药和可控释放对于医学治疗具有非常重要的意义。本研究证实了通过利用带有缺陷的纳米纤实现对纳米颗粒的靶向给药和可控释放。利用通有功率39毫瓦，波长980纳米激光的纳米纤维，悬浮在水中的聚苯乙烯粒子（直径713 纳米）被成功捕获，随后沿着纳米纤维的表面以4.8微米/秒的平均速度运输，直到最终抵达光纤的缺陷处。通过关闭激光电源，90%的聚苯乙烯粒子可在30 s内被释放。此方法可在靶向药物输送和可控释放中使用，并在靶向治疗中具有应用前景。

关键词：光镊；光操控；亚波长结构；纳米粒子

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1. 引言

光捕获和运输使得对介观物体的高精度靶向和非侵入性的操控方式得以实现，并促使了光操控在生物分子领域的广泛应用，如DNA、肌凝蛋白、驱动蛋白等等。这些为上述研究提供便利的工具，被称为光学镊子，这一概念是首先由Ashkin提出的。常规光镊使用高数值孔径物镜聚焦激光束，产生施加在物体上的光学力，可以捕获和操纵物体。存在于亚波长直径波导上的倏逝波场，也可以产生强大的光梯度力，用来操纵比传统的光镊可操控的更大的一个工作区域内的颗粒。因此，粒子被捕获并沿波导的瞬逝波的传播方向运动。相比在衬底上制备的波导，光纤更方便与灵活地移动。所以，基于光纤的结构如锥、亚波长光纤、和光纤环用于捕获和操纵单粒子，微球，和较大的绝缘颗粒。

最近的药物治疗对靶向给药和可控释放的要求很高。然而，上述基于光纤的结构无法实现靶向运输和可控释放粒子。在本研究中，我们发现借助带有缺陷的纳米纤维，在对水和许多生物组织仅有微小副作用的980纳米激光的激励下，能够完成对纳米粒子的靶向运输和可控释放。

1. 实验

实验装置如图1所示。它包括980纳米波长的激光激励源、用于观测粒子的显微镜、与电脑连接的电荷耦合器件（CCD）来实时监控和捕获图像。在这项实验中，一个置有水悬浮液的玻璃切片被安装在可调节平台上。浸在水悬浮液中的纳米光纤两端被微型支架固定。在超声波辅助下，将直径为713纳米的聚苯乙烯颗粒（PSs）用去离子水稀释（粒子与水体积比约1:1000）制备成悬浮液。

纳米光纤由通过火焰加热拉伸单模石英光纤制造而成，而缺陷（如在图2a的插图所示）是通过在纤维拉伸过程的一个突然的火焰冲击所产生。缺陷的形状是一个突起，具有大约1.2微米的宽度和大约0.2微米的高度。图2a示出了浸泡在聚苯乙烯粒子水悬浮液中的纳米光纤（直径720纳米，长度4.2毫米）的光学图像。可以看出，目前并无任何的聚苯乙烯粒子被捕获在由红色虚线圆圈所指示的缺陷上。当980纳米波长的激光入射到到纳米光纤中时，在激光的输出端测得光功率为39毫瓦，首先纳米光纤附近的聚苯乙烯粒子被倏逝波场引起的梯度力捕获，朝向纳米光纤移动，然后由于强消逝场的散射力作用于聚苯乙烯粒子，其以4.8微米/秒的平均速度沿纳米光纤被推进。
激光使用39毫瓦功率，是因为它可以得到一个有效地运输和释放微粒，而对生物物理环境的危害较小。一旦聚苯乙烯粒子运输到光纤缺陷，它们将聚集，因为激光的强消逝场产生的梯度力在缺陷处分散。详细的运输和聚集过程如媒体1中所示。有发现表明，保持激光器开启时间=130，有16个聚苯乙烯粒子聚集在缺陷处（图2b）。随着时间的推移，更多的聚苯乙烯粒子被捕获沿纳米光纤运输并最终聚集在缺陷。图2c和d所示分别有28和38个聚苯乙烯粒子分别在300和430后聚集在缺陷处。

图1 原理实验装置。纳米光纤的两端由微平台固定并浸入聚苯乙烯粒子的水悬浮液。平移台是可调节的且可通过调整两个微平台来移动纳米光纤。显微镜被用于观察实验过程，而C​​CD和计算机是用于捕获图像和视频的。显微镜的放大倍数为times;1000。

图2 光学显微镜图像显示不同的聚苯乙烯粒子被捕获，运送，聚集和释放的过程。（a-d）运送和聚集的过程。（a）没有激光入射纳米光纤时，没有聚苯乙烯粒子被捕获，运送，或聚集在缺陷处。插图所示的是带有突起缺陷的720纳米光纤的SEM图像。（b）980-纳米激光入射纳米光纤持续时间=130时，16个聚苯乙烯粒子沿纳米光纤运输并聚集在由红虚线圆圈表示的缺陷处。（c）=300，28个聚苯乙烯粒子聚集。 （d）=430，38个聚苯乙烯粒子聚集。详细的运输和聚集过程如媒体1中所示。（e-h）释放的过程。（e）激光关闭（即=000，对应=435），聚集的聚苯乙烯粒子开始释放。（f）=010（即=445），25个聚苯乙烯粒子释放。（g）=020，30个聚苯乙烯粒子释放。（h）=120，只有2个聚苯乙烯粒子残留在缺陷处。详细的释放过程如媒体2中所示。

我们已经进一步发现，当激光被关断时，聚集的聚苯乙烯粒子被释放，并很快在水中扩散。详细的释放过程如媒体2中所示。图2e所示激光刚刚被关闭时的光学图象（即=000，对应=435）。由此可以看出，聚苯乙烯粒子开始释放。图2f和g表示分别在=010和020时释放的聚苯乙烯粒子的光学图象。它表示激光关闭20秒后，30个聚苯乙烯粒子被释放，只有8个留在在缺陷处（图2g）。在=030，约90％的聚集的聚苯乙烯粒子被释放。=80s后，仅有2个聚苯乙烯粒子残留在缺陷出（图2h）。 2个聚苯乙烯粒子依然残留的原因可能是聚苯乙烯粒子表面不够光滑，附着在了缺陷上。

图3a示出了整个输送过程中，在缺陷处聚集的聚苯乙烯粒子的数量和释放的过程。输送速度和输入激光功率之间的关系也通过改变输入光功率的方法在图3b中显示。实验结果表明低输入功率将会导致低而稳定的输送速度，而相对的高输入功率将会导致较高的速度。然而，由于较高的激光功率能导致环境的波动，因此速度不是那么稳定。结果表明平均运输速度几乎随输入功率线性增加。

因为在不同的时间测量了在沿着纳米光纤运输的不同的粒子的速度，它们可能受光功率波动造成的影响，这将会导致的拟合速度偏移。推动力的估计使用斯托克斯定律F=6pi;reta;v，其中r=356.5纳米是在聚苯乙烯粒子半径，eta;=8.9e-4Pa∙s是水在室温下动态粘度， v是聚苯乙烯粒子的速度。估计结果表明，该推进力几乎随输入功率线性地增加，这与报告的结果一致。

结果表明，通过利用带有缺陷的纳米纤实现对粒子的捕获，运送，聚集，以及最后通过将缺陷放置在指定的位置的方法释放粒子。实验表明如果将纳米光纤的缺陷放置到邻近目标组织，通过切断输入光功率可以将微粒（例如药物）可控释放到组织周围。其结果，靶组织如肿瘤细胞可以被定向释放的药物被杀死。由于这个提议是用于药物运输和释放的新方法，真正的体内组织将会出现一些实际的障碍。例如，应当解决如何使纳米光纤进入体内并保持纳米光纤不折断。此外，内部环境的复杂性，也可能会影响药物运输和释放。为了克服一些实际障碍，基于活体组织的进一步研究是必要的。

图3（a）光源时长与缺陷处聚集的聚苯乙烯粒子的数量的关系，红色箭头和插图表示对应时间下的聚集状态，蓝色箭头指示激光的开/关。（b）被运输的聚苯乙烯粒子的速度和估计的推动力与输入激光功率的函数。每个数据点代表平均速度和推进一个聚苯乙烯粒子的动力;误差棒代表测量的速度和推动力的标准偏差。输送速度和力与输入功率呈线性关系。

1. 讨论

为了解释现象，选用了一个三维（3D）有限元模拟软件（COMSOL Multiphysics 3.5A）。水的折射率设置为1.33，聚苯乙烯粒子和纳米光纤的折射率分别为1.573和1.445。在聚苯乙烯粒子和纳米光纤表面之间的间隙被设定为20纳米，980纳米波长的激光功率被定为1瓦。图4a所示的总能量密度的纵向分布横截面图。图4b和c分别所示分布于纳米光纤和缺陷的能量密度的横截面视图。可以看出的是，光的一部分是由纳米光纤以倏

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