CN110182750B - 一种脲酶驱动罐状微纳米马达及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脲酶驱动罐状微纳米马达及其制备方法，该脲酶驱动罐状微纳米马达的驱动力较强且可以通过感应燃料浓度变化自适应地改变其运动方向。所述脲酶驱动罐状微纳米马达是一种内部包含脲酶分子的中空罐状微纳米颗粒。所述罐状微纳米颗粒的外形为一端开口的罐状结构，其可以通过模板刻蚀法制备。所述脲酶驱动罐状微纳米马达可以通过戊二醛偶联技术将脲酶分子偶联在罐状结构的内部得到。所述脲酶驱动罐状微纳米马达具有以下优点：1)生物相容性好；2)驱动力强；3)可以通过感应周围环境中燃料浓度变化而自主地调整其运动方向，可用于生物传感和药物运输。

Description

一种脲酶驱动罐状微纳米马达及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳米器件制备技术领域，尤其涉及一种驱动力较强且可以通过感应燃料浓度变化调整其运动方向的脲酶驱动罐状微纳米马达。
背景技术
微纳米马达是一种能够在微纳米尺度上将环境中其它形式的能量转化为机械运动，并能执行各种任务的微纳米器件。由于微纳米马达具有独特的自主运动性能，可以在微纳米尺度装载、运输和释放各类微纳米货物，因此在生物传感、主动给药以及微手术等生物医药领域具有极大的应用前景。
其中酶驱动微纳米马达能够利用体液中存在的物质为燃料，具有较好的生物相容性，无需自带燃料及运动寿命长等优点。目前研究的酶驱动微纳米马达主要包括过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶和脲酶驱动的微纳米马达。其中过氧化氢酶驱动的微纳米马达以H2O2为燃料，主要通过产生氧气气泡驱动其运动。虽然这种依赖气泡驱动机理的酶驱动微纳米马达驱动力强，但是高浓度H2O2具有强氧化性，其在生物医药领域的应用场景有限。由于葡萄糖氧化酶和脲酶驱动的微纳米马达能够以血液中广泛存在的葡萄糖和尿素为燃料，因此更适用于生物医药领域的应用。然而，目前这一类酶驱动微纳米马达的驱动机理主要为驱动力较弱的自泳驱动机理，运动速率较慢，在体液中难以实现高效的运动；并且其运动方向，仅能通过外部磁场进行控制，无法实现感应化学信号变化自主调整其运动方向。
因此，本发明将具有限制性中空内腔的罐状结构与具有较高催化速率的脲酶分子结合，制备了驱动力较强的脲酶驱动罐状微纳米马达，并且可以通过感应燃料浓度变化自适应地调整其运动方向。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：现有脲酶驱动微纳米马达，驱动力较弱，运动速率较低，不能通过感应环境中化学信号的变化自主调整其运动方向。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种脲酶驱动罐状微纳米马达，所述脲酶驱动罐状微纳米马达是一种一端开口的中空罐状微纳米颗粒，其内部含有催化活性的脲酶分子。所述脲酶驱动罐状微纳米马达驱动力强，运动速率高，可以通过感应燃料浓度变化自主地调整其运动方向。
一种所述脲酶驱动罐状微纳米马达的制备方法，使用两步法制备：
1)制备中空罐状微纳米颗粒：以微纳米粒子为模板，按顺序在其表面非对称包覆金属Au层和二氧化硅层，形成双面神粒子后，刻蚀微纳米粒子模板得到；
2)制备脲酶驱动罐状微纳米马达：在中空罐状微纳米颗粒的内壁Au层先后修饰氨基和醛基，再利用醛基与脲酶分子的氨基之间的键合作用将脲酶分子固定于罐状微纳米颗粒的内部。
一种所述脲酶驱动罐状微纳米马达的用途，所述罐状微纳米马达的运动方向随燃料浓度的变化而改变，可以应用于生物传感和药物运输。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种脲酶驱动罐状微纳米马达，其结构简单、生物相容性好、驱动力强、运动行为可调，且其制备方法简单、重复性强。
2、所述酶驱动微纳米马达，可自主地感应周围环境中尿素(燃料)浓度变化，调整驱动机理，进而智能地调整其运动方向。
3、由于所述脲酶驱动微纳米马达能够智能感应尿素浓度变化，在生物医药领域具有广泛的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他方面、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的实施例1中脲酶驱动罐状微纳米马达的制备过程示意图；
图2为本发明的实施例1中制备得到的脲酶驱动罐状微纳米马达的扫描电镜、透射电镜及能谱图；
图3为本发明的实施例2中脲酶驱动罐状微纳米马达通过增加体系中尿素浓度调控其运动行为的轨迹图及实时速度图；
图4为本发明的实施例3中脲酶驱动罐状微纳米马达通过降低体系中尿素浓度调控其运动行为的轨迹图及实时速度图；
图5为本发明的实施例4中脲酶驱动罐状微纳米马达在不同浓度尿素溶液中的运动轨迹图及运动速度随尿素浓度的变化图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，但不限定本发明。通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
实施例1
脲酶驱动罐状微纳米马达的制备过程如图1所示，主要包括两部分：(1)罐状微纳米颗粒的制备，(2)在罐状微纳米颗粒内表面修饰脲酶。
(1)罐状微纳米颗粒的制备。首先，将玻片清洗后，利用氧气等离子体进行亲水处理；然后，将50μLPS微球的乙醇悬浮液(2.3μm,10mg/mL)滴至玻片上，乙醇蒸发后即可形成单层PS微球。使用磁控溅射直流电源喷镀金层50s，射频电源喷镀二氧化硅40s，得到双面神粒子。将制备的双面神粒子分散于2mL去离子水中，依次加入4mg TEOA、7.4mg CTAB、10μLTEOS，80℃反应2h，离心分离收集后DMF洗涤5遍，振荡12h，得到内部含有金层的罐状微纳米颗粒。
(2)脲酶驱动罐状微纳米马达的制备。将罐状微纳米颗粒分散于1mL的半胱胺乙醇溶液(20mmol/L)中，室温振荡反应过夜后乙醇洗涤3遍；然后分散于0.9mL PB缓冲溶液(10mmol/L PB，pH 6.5)中，加入0.1mL戊二醛溶液(25wt％)混合均匀，室温振荡反应5h后用PB缓冲溶液(10mmol/L PB，pH 6.5)洗涤3次；将样品分散于0.2mL PB缓冲溶液(10mmol/LPB，pH 6.5)，加入脲酶3mg，室温振荡过夜，去离子水洗涤3次得到脲酶驱动罐状微纳米马达。
所得脲酶驱动罐状微纳米马达在扫描电镜和透射电镜下的形貌分别如图2a和2b所示，可见，其为具有开口的罐状结构，粒径为2.2～2.4μm，平均值为2.3μm，开口大小为1.4～1.9μm，平均值为1.7μm，外表面的介孔层厚度平均值为43.6nm。所得脲酶驱动罐状微纳米马达的能谱图如图2c所示，其含有金元素、硅元素和碳元素。
实施例2
将实施例1中所得脲酶驱动罐状微纳米马达置于0.6mM尿素溶液中，待其运动稳定后加入50mM尿素溶液。其运动轨迹如图3a所示，未加入50mM尿素溶液前，脲酶驱动微纳米马达朝开口方向运动，加入50mM尿素溶液后背向开口方向运动，其实时速度变化如图3b所示。
实施例3
将实施例1中所得脲酶驱动罐状微纳米马达置于5mM尿素溶液中，待其运动稳定后加入去离子水。其运动轨迹如图4a所示，未加入去离子水前，脲酶驱动罐状微纳米马达背向开口方向运动，加入去离子水后朝开口方向运动，其实时速度变化如图4b所示。
实施例4
将实施例1中所得脲酶驱动罐状微纳米马达分别置于不同浓度尿素溶液中，观察其运动行为。它们在不同浓度尿素溶液中的轨迹图如图5a所示：当尿素浓度小于1.25mM时，脲酶驱动罐状微纳米马达朝开口方向运动；当尿素浓度大于1.25mM时，背向开口方向运动。在不同浓度尿素溶液中脲酶驱动罐状微纳米发动机的运动速度如图5b所示，脲酶驱动罐状微纳米马达的运动速度随尿素浓度增加整体表现为先增大后减小，再增大到平衡值。当体系中尿素浓度为0.6mM，脲酶驱动罐状微纳米马达的运动速率增加到其中一个极大值后开始下降；当体系中的尿素浓度达到1.25mM时，脲酶驱动罐状微纳米马达的运动速率减小到极小值，之后速度开始增加，在尿素浓度达到15mM时运动速度开始达到饱和。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种脲酶驱动罐状微纳米马达，其特征在于：所述脲酶驱动罐状微纳米马达是一种一端开口的中空罐状微纳米颗粒，其内部含有催化活性的脲酶分子；
所述脲酶驱动罐状微纳米马达的骨架包括内部镶嵌的金层、中间的二氧化硅层和外表面包覆的介孔二氧化硅。
2.一种如权利要求1所述的脲酶驱动罐状微纳米马达的制备方法，其特征在于使用两步法制备：
1)制备中空罐状微纳米颗粒：以微纳米粒子为模板，按顺序在其表面非对称包覆金属Au层和二氧化硅层，形成双面神粒子后，刻蚀微纳米粒子模板得到；
2)制备脲酶驱动罐状微纳米马达：在中空罐状微纳米颗粒的内壁Au层先后修饰氨基和醛基，再利用醛基与脲酶分子的氨基之间的键合作用将脲酶分子固定于罐状微纳米颗粒的内部。
3.一种如权利要求1所述的脲酶驱动罐状微纳米马达的用途，其特征在于：所述罐状微纳米马达的运动方向随燃料浓度的变化而改变，可以应用于生物传感和药物运输。
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