Controlledmolecularassemblyofself-propelled-中国科学杂志社
生物大分子自组装
2.姜黄素
20个氨基酸 组成，赖氨 酸和缬氨酸 交替组成两 个臂，由于 赖氨酸带电 性质，静电 斥力作用多 肽折叠成一 个发夹，缬 氨酸具有疏 水性，发夹 与发夹之间 通过疏水性 与横向氢键 得到延伸。
3.海藻酸钠
由古洛糖醛酸（记为G酸）及其立体异构体甘露 糖醛酸（记为M酸）两种结构单元以三种方式 （MM段、GG段和MG段）通过α(1-4)糖苷键链接 而成的一种无支链的线性共聚物
2.生物大分子作为自组装材料有其天然的优越性，如 碱基互补配对、氨基酸识别等等，但目前为止，相关 研究并不充分，真正能应用的工业生产的材料几乎没 有
谢谢
生物大分子自组装
目录
1.引言 2. 原理 3.影响因素 4.表征手段 5.研究进展 6.应用 7.展望
引言
自组装（self-assembly）：是指基本结 构单元（分子，纳米材料，微米或更大 尺度的物质）自发形成有序结构的一种 技术 。
在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的 相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定 规则几何外观的结构。
应用
主要用于纳米药物载体制备
主要包含蛋白质( 如明胶、白蛋白、丝蛋 白等) 和多糖( 如壳聚糖、海藻酸钠、环 糊精、果胶等) 两大类。
1.自组装肽/鞣质酸
双（N-乙酰氨基-苏氨酸） -1,5 - 戊烷二羧酸二甲酯
庚二酸（0.15克，0.94毫摩 尔）,EDAC（0.05克，0.32 毫摩尔）和1 - 羟基苯并三唑 （0.05克，0.37毫摩尔）溶 解在DMF中,该混合物被冷却 至5℃并振摇1小时。然后加 入苏氨酸甲酯盐酸盐（0.3克 ，1.8毫摩尔），和三乙胺（ 5升），5 ℃下搅拌24小时
超分子化学的自组装与控制
超分子化学的自组装与控制超分子化学是指由分子自组装而成的一种化学形式。
在超分子体系中，分子之间通过卤键、氢键、范德华力等非共价作用力相互作用，从而形成新的结构和功能。
超分子化学研究的核心问题是如何通过对分子之间的相互作用的控制来实现自组装过程的选择性和可控性。
本文将探讨超分子化学自组装与控制的相关内容。
自组装的基本原理自组装指的是分子之间相互作用而形成的自然排列、对称性和结构的过程。
自组装可分为非共价自组装和共价自组装两种。
其中，非共价自组装是指通过分子之间的非共价相互作用力（卤键、氢键、范德华力等）相互作用而形成的一种自组装。
共价自组装是指通过共价键反应形成二维或三维结构的一种自组装。
在超分子体系中，分子之间不同类型的非共价相互作用起着关键作用。
例如，卤键作用一般发生在氟、氯、溴等卤素原子与烷基、脂肪酸分子的相互作用中；氢键一般发生在氢原子与氧、氮等具有电负性原子的相互作用中；范德华力作用则是各类分子之间的一种长程相互作用力。
自组装的控制超分子体系中的自组装过程可通过多种方式来控制。
其中，最常用的方法是设计和制备具有特定功能的分子材料，以实现分子自组装过程的选择性和可控性。
1. 功能化分子控制：通过在分子结构中引入反应活性基团或指向性官能团，可以控制分子之间的相互作用并实现所需的自组装结构。
2. 模板法控制：利用固体表面或聚合物分子等模板材料来控制超分子体系的组装，从而获得可控的二维和三维自组装结构。
3. 外场调控：应用外加电场、磁场、光场等外场作用，在超分子体系中调控分子之间的相互作用，从而实现自组装结构的选择性和可控性。
应用与前景超分子化学的自组装与控制对于许多领域的研究和应用具有重要意义。
例如，在材料科学中，可以通过超分子化学自组装设计多种聚合物、配位化合物和无机纳米材料，以实现新型催化剂、传感器和光电器件的研发。
在生物科学领域，超分子化学技术可以用于设计新型药物和生物传感器等应用。
尽管超分子化学技术的应用远未被充分开发和利用，但它具有广阔的发展前景和研究空间。
大分子自组装研究相关进展
But
HN
O
OR
O
NH
N
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N
N
A
HN
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B
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O
大分子自组装研究的相关进展
OHN N
N NHN
B u t O
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OHN O
B u t
B u t O R O
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N
O B u t
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NHO O
O R O R
O OHN N
N NH N
Building blocks : small molecules with proton-donating and proton –accepting groups
N
N
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O
4
O
大分子自组装研究的相关进展
O
B
OH
N
O NH O
O
4
O
O O HN
O N H O
大分子自组装研究的相关进展
But
大分子自组装研究的相关进展
Micellization of block copolymers in selective solvents
selective solvent for blue block
selective solvent for red block
Covalent 大分子自组装研究的相关进展 bonds connecting the core and shell
超分子化学：从分子识别到自组装
超分子化学是一门研究分子之间相互作用和自组装行为的学科，它的研究内容涵盖了从分子识别到自组装的方方面面。
在这个领域里，化学家们通过设计和合成具有特定结构的分子，探索它们在固体、液体和气体中的相互作用，从而揭示分子之间的相互关系，以期对自然界和人工系统中出现的复杂现象做出解释，并为材料科学、医药化学和生物学等领域提供新的思路和方法。
在超分子化学中，分子识别是一个重要的研究内容。
分子识别是指分子之间通过非共价相互作用来定向选择性地结合在一起的过程。
通过精确设计和控制分子的结构和非共价相互作用，研究人员实现了对特定分子的高选择性结合，甚至可以选择性地识别、分离和检测特定的生物大分子。
这种分子识别的过程不仅揭示了生物体内如何识别和响应外界信号的原理，还为设计和合成具有特定功能和性能的新材料提供了理论基础和实验方法。
另一方面，超分子化学也研究了分子的自组装行为。
自组装是指分子之间通过非共价相互作用来有序地组装成超分子结构的过程。
通过调控分子的结构和非共价相互作用，研究人员可以实现分子的自组装行为，构建出各种精确有序的超分子结构，如脂质体、胶束、薄膜等。
这些自组装的超分子结构在材料科学中有着广泛的应用，例如用于药物传递、构建纳米材料和纳米器件、制备分子机器等。
同时，通过理解和控制分子的自组装行为，研究人员可以揭示自然界中的自组装现象，并为制备功能性材料提供新的思路和方法。
超分子化学的发展不仅丰富了化学学科的内涵，还为其他学科的发展提供了新的思路和方法。
在材料科学中，人们借鉴超分子化学的原理和方法，设计和合成了一系列新材料，这些材料具有特殊的功能和性能，如自愈合、可逆溶胀、环境敏感等。
在医药化学中，人们通过超分子化学技术提高了药物的溶解性和稳定性，改善了药物的递送效果。
在生物学中，超分子化学为了解生物分子和生物体系的结构和功能提供了新的思路和方法。
总的来说，超分子化学是一门涉及分子之间相互作用和自组装行为的学科，研究内容涵盖了从分子识别到自组装的方方面面。
具有功能化栅电极和基电极的纳米柱场效应和结型晶体管[发明专利]
![具有功能化栅电极和基电极的纳米柱场效应和结型晶体管[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/55252ea069eae009591bec14.png)
专利名称：具有功能化栅电极和基电极的纳米柱场效应和结型晶体管
专利类型：发明专利
发明人：阿迪蒂亚·拉贾戈帕,杰峰·常,奥利佛·普拉特布格,斯蒂芬·彼得里,阿克塞尔·谢勒,查尔斯·L·奇尔哈特
申请号：CN201380039616.3
申请日：20130712
公开号：CN105408740A
公开日：
20160316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：描述了用于分子感测的系统和方法。
描述的分子传感器基于场效应晶体管或双极结型晶体管。
这些晶体管具有带有与基电极或栅电极接触的功能化层的纳米柱。
该功能化层能够结合分子，这会在传感器中引发电信号。
申请人：加州理工学院,赛诺菲美国服务公司
地址：美国加利福尼亚州
国籍：US
代理机构：北京安信方达知识产权代理有限公司
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超分子化学中分子识别与自组装研究
超分子化学中分子识别与自组装研究超分子化学是研究分子之间相互作用及有机分子的自组装的一门学科。
它的研究内容主要围绕着分子识别、自组装、阴离子识别和分子传感等方面展开。
今天，我们重点研究超分子化学中分子识别和自组装的相关话题，并探讨其在生物、药物等领域中的应用。
一、分子识别分子识别是超分子化学中的一个重要的课题。
它是指根据分子间相互作用，通过化学或物理手段将两种不同的分子进行有效地分离或识别。
在分子识别中，可以利用分子之间的亲疏性、电荷、极性、氢键等识别某种分子，并进行有效地分离。
1.1 氢键识别氢键是超分子化学中非常常用的分子识别手段。
过程中，利用氢键在分子间的作用力，将不同类型的分子进行有效地分离。
例如，生物中许多药物和蛋白质间的相互作用就是通过氢键实现。
1.2 阴离子识别除了氢键识别，阴离子识别也是超分子化学中的重要领域之一。
阴离子识别主要是指利用一种含有亲疏性的分子，在与负离子形成络合物时，从而实现有效地阴离子识别和分离。
二、自组装超分子化学中自组装也是一个重要的研究主题。
它是指化合物以一种特定的方式自发地组合，形成新的结构或材料的过程。
自组装现象在自然界中广泛存在，例如生物分子（例如蛋白质和核酸）自组装成为细胞膜、组织和细胞等基本单元。
2.1 分子自组装分子自组装是指由化学分子间的相互作用导致的高级结构组装。
这些相互作用包括氢键、范德华力、电荷转移、π-π堆积等。
分子自组装在材料科学中占据着重要的地位。
2.2 生物体系的自组装生物体系的自组装是指生物分子中水平结构与垂直结构的自组装过程。
生物分子在某些条件下能够自组装形成特定形态的超分子构造，达到一定的生物效应。
例如，在细胞内脂质体的自组装，在药物递送上得到了广泛的应用。
三、应用在生物学、药物学等领域，超分子化学中分子识别和自组装的研究成为了热点。
它已经应用于药物传递、药物设计、生命科学等许多领域。
3.1 药物传递超分子化学中分子自组装的构建技术为药物传递提供了一种新的手段。
人高密度脂蛋白受体胞外片段在甲醇酵母中的表达
人高密度脂蛋白受体胞外片段在甲醇酵母中的表达答：高密度脂蛋白受体在胆固醇逆向运输中起重要作用,并且其可以做为动脉粥样硬化的新型治疗靶点。
为了构建以竞争性受体-配体相互作用为基础的体外高通量药物筛选模型,在甲醇酵母中表达了高密度脂蛋白受体胞外结构域。
应用RT-PCR方法从人肝癌Bel-7402总RNA中扩增了编码高密度脂蛋白受体胞外结构域的基因片段,此基因片段经测序证实后亚克隆至甲醇酵母分泌表达质粒
pPIC9K中。
经测序验证读码框正确后将重组质粒电转至PichiapastorisGS115中。
应用PCR方法确定目的基因的整合和Mut+表型。
重组菌株用1%甲醇诱导5天后取发酵上清进行SDS-PAGE 和Westernblot分析。
结果表明,在分子量约645kDa处有sHDLR表达。
随后应用DiI-AcLDL为配体证明了表达的sHDLR具有结合其配体AcLDL的生物学活性。
军事医学科学院1999-2001、2003年生物化学考博试题
超二级结构 变构调节与变构酶 真核生物DNA组装 泛素与蛋白酶体
电子传递链与酶复合体 端粒与端粒酶 带正电的R基氨基酸 SAM
问答题
1 稳定蛋白质结构的作用力有那些？球状蛋白质三维结构的特点。
2 TPK的两种类型，其信号转导途径有何不同？
3 真核生物基因组的结构特点，转录因子主要有哪些结构域，举一到两例说明结构域的功能。
4 以核苷酸序列推测蛋白质氨基酸序列的步骤，并提出一种可以弥补该方法不足的方法。
5 指出SOD与谷胱甘肽过氧化物酶的类型及催化功能。.
2． 蛋白质组：
3． 真核细胞蛋白降解途径：
4． Zinfinger：
5． 酶活性中心与不可逆抑制剂：
6． 氧化磷酸化与解偶联：
7． Coding strand与Antisense strand：
8． 融合蛋白：
9． 自1869年发现核酸以来，在核酸结构与功能研究的历史进程中，举出5项以上具有里程碑意义的重大发现。
11． 比较原核生物与真核生物基因组结构的不同，并指出真核生物细胞的RNA内含子剪接的主要方式。
12． 激活酪氨酸蛋白激酶通路的配基类型及其作用区别；讨论信号转导通路中MAPKinase的地位
13． 概述蛋白质分子进化有哪些规律？
军事医学科学院2001年生物化学考博试题
1． 超二级结构:
军事医学科学院2000年生物化学考博试题
1． Tm值：
2． 核小体：
3． 胰岛素原和胰岛素：
4． 分子伴侣：
5． 复制子：
6． DNA芯片：
7． 亮氨酸拉链：
8． 蛋白质二维电泳：
9． 讨论酶活性中心及催化活性的结构要求？金属离子对酶催化反应有什么重要作用？
诺奖得主Feringa艰辛之作：光诱导的双链螺旋结构自组装及手性控制
诺奖得主Feringa艰辛之作：光诱导的双链螺旋结构自组装及手性控制自1953年沃森和克里克提出DNA双螺旋结构以来，人们开始能够了解遗传信息的构成和传递的途径。
超分子化学家也开始探索这种独特的三维立体结构。
螺旋结构的手性控制对于很多人造分子系统（比如寡核苷酸、拟肽类化合物、液晶等等）至关重要。
也同时决定了在一些自组装行为，比如纳米管、超分子聚合物等的形成等。
因为手性存在于螺旋式的结构中，手性的转化就会实现某些功能的动态控制。
1987诺贝尔奖得主Lehn发现了一种金属配位寡吡啶形成的双链螺旋结构（如下图1）。
图1. [Cu3(BP3)2]3+双链螺旋结构的晶体结构。
图片来源：PNAS在这一开创性工作后，许多科学家提出控制螺旋结构动态行为的方法，比如结合金属、氧化还原、调控pH和溶剂等等。
但是至今为止，还没有完全可逆的手性控制。
近日，新晋诺贝尔化学奖得主、荷兰格罗宁根大学教授Ben Feringa等人在Nature Chemistry上发表了最新研究成果，一种基于分子马达的双链螺旋结构可以在光照条件下实现手性的完全可逆转化。
第一作者为毕业于兰州大学的赵德鹏（Depeng Zhao）博士（导师王锐教授）。
（Dynamic control of chirality and self-assembly of double-stranded helicates with light. Nature Chem., 2016, DOI: 10.1038/nchem.2668）Feringa教授。
图片来源：University of Groningen这一研究成果正是基于该组发现的第一代单向旋转分子马达（点击阅读相关），实现一个分子的360度旋转分为4个步骤（如图2a），其中有两步是光催化双键顺反式转化（第一步和第三步），这两步之后都紧接着一步热力学主导的手性转化（第二步和第四步）。
这一手性分子马达起到了一个动态模板的作用，连接上寡吡啶配体（如图2b），利用Cu(I)离子的配位作用，在反式双键结构中，可以形成寡聚体序列（如图2c）。
色氨酸操纵子控制元件
色氨酸操纵子控制元件1. 介绍色氨酸操纵子控制元件是一种用于调控生物体内色氨酸合成和代谢的关键组分。
色氨酸是一种必需氨基酸，它在生物体内起着重要的生理功能，包括合成蛋白质、调节神经递质、维持免疫系统等。
色氨酸操纵子控制元件可以通过调控相关基因的表达水平，实现对色氨酸合成和代谢过程的精确控制。
2. 色氨酸合成途径色氨酸合成途径是一系列的生物化学反应，通过这些反应，生物体可以从简单的物质合成色氨酸。
在大多数生物体中，色氨酸的合成途径包括以下几个关键酶催化的反应：1.磷酸化酶：催化磷酸化酪氨酸转化为3-磷酸酪氨酸；2.3-磷酸酪氨酸酶：催化3-磷酸酪氨酸转化为3-磷酸吲哚酮酸；3.吲哚酮酸还原酶：催化3-磷酸吲哚酮酸转化为色氨酸。
这些酶的活性受到多种因素的调控，其中包括色氨酸操纵子控制元件。
3. 色氨酸操纵子控制元件的结构和功能色氨酸操纵子控制元件是一种特殊的DNA序列，位于基因的启动子区域或调控区域。
它通过与特定的转录因子结合，调控基因的转录水平。
色氨酸操纵子控制元件通常由两个重要部分组成：1.色氨酸操纵子结合位点：这是一个特定的DNA序列，可以与转录因子结合。
转录因子与操纵子结合后，可以激活或抑制基因的转录过程。
2.转录因子：这是一种特殊的蛋白质，可以与操纵子结合，并介导基因的转录过程。
转录因子的结构和功能多样，不同的转录因子可以调控不同基因的表达。
色氨酸操纵子控制元件的功能主要表现在以下几个方面：1.调控基因的转录水平：操纵子结合位点与转录因子的结合可以增强或抑制基因的转录水平。
这种调控可以使得生物体在特定环境下合成更多或更少的色氨酸。
2.响应内外环境变化：色氨酸操纵子控制元件可以感知内外环境的变化，并调整基因的表达水平。
例如，在缺乏色氨酸的环境中，转录因子可以结合到操纵子结合位点上，激活色氨酸合成相关基因的转录。
3.维持生物体的稳态：色氨酸操纵子控制元件可以使得生物体内色氨酸的合成和代谢维持在一个稳定的水平。
研究生物大分子的自组装行为
研究生物大分子的自组装行为生物大分子是一类重要的大分子，如生物蛋白质、核酸、多糖等，它们在生物体内起着重要的作用。
在一定的条件下，这些大分子会自然而然地组合成特定的结构或形态，这种现象被称为自组装。
研究生物大分子的自组装行为，有助于深入理解生物体内的许多生命现象。
生物大分子的自组装行为具有普遍性，例如，肌动蛋白是一种在肌肉中起重要作用的蛋白质，它们会自组装成具有一定结构的纤维束，从而产生肌肉收缩的力量。
核酸可以自组装成DNA和RNA等双链结构，这些结构起着生物信息传递和储存的重要作用。
多糖可以自组装成各种形态的复杂结构，如细胞壁、细胞外基质等，这些结构为细胞提供了形态和功能上的支持。
生物大分子的自组装行为受多种因素的影响，主要包括溶液条件、温度、离子浓度、pH等。
其中，溶液条件是最为关键的因素之一，不同的溶液条件可以使生物大分子组装成不同的形态。
例如，由肌动蛋白自组装而成的肌肉纤维束，在以钾盐为主要组分的溶液中，其长度和直径都有所增加；而在以钠盐为主要组分的溶液中，其长度和直径都有所减小。
另外，生物大分子自组装的速度也受多种因素影响。
一般来说，较低的温度和高离子浓度可以加速生物大分子自组装的速度。
同时，生物大分子自组装速度也与其自身的特性相关，如分子量、形态、电荷性质等。
研究生物大分子的自组装行为，可以帮助我们更好地理解生物大分子的结构和功能。
例如，肌动蛋白自组装的结构与肌肉的收缩密切相关，研究其自组装行为可以揭示肌肉收缩的分子机制，为相关疾病的治疗提供新思路。
另外，生物大分子自组装也是一种重要的材料自组装方式，例如，蛋白质的自组装可以用于生物传感器、纳米器件等领域。
总之，生物大分子的自组装行为是一个极其复杂而又有趣的研究领域。
研究生物大分子的自组装行为，不仅有助于深入了解生物分子和生命现象，同时也具有重要的应用价值。
未来，我们需要通过更加深入的研究，探索生物大分子自组装的规律，为相关领域的发展和创新提供支持和指导。
大肠杆菌的乳糖操纵子
为了确定这几种基因的关系， Jacob和Monod使用含有lacI、 lacZ、 lacY和lacA的F’-质粒创建了部分二倍体的大肠杆菌，并进 行了一系列互补实验，其中下图的两种突变对于操纵子模型的最终 建立起了负调控 乳糖操纵子的调控模型主要内容：
人们发现两类不能利用其他糖类的大肠杆菌突变体： 一类突变体的腺苷酸环化酶基因有缺陷，因此在任何情况下都不能合成cAMP；另一种突变体缺乏一
种能够与cAMP结合的蛋白，即cAMP受体蛋白CRP或CAP，这种突变体在加入外源的cAMP后也不 能利用乳糖。这说明cAMP是通过CAP起作用的。
01 乳糖操纵子的正调控
一旦高浓度的乳糖进入细胞，在细胞内残留的β-半乳糖苷酶
二、乳糖操纵子的负调控 催 化 下 ， 一 部 分 乳 糖 被 异 构 化 ， 变 成 别 乳 糖 。 而 别 乳 糖 作 为 别构效应物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不 能再与操纵基因结合，于是操纵子被打开；
RNA聚合酶与启动子结合，启动三个结构基因的转录，产生 lacZ、lacY和lacA的共转录物，但翻译却是独立地进行， 从而产生三种不同的酶；
02
通过科学家的不懈努力我们终于知道： CAP由2个相同的亚基组成，每1个亚基含有209个氨基酸残基，有2个结构域，1个在
N端，含有结合cAMP位点，另一个在C端，含有螺旋-转角-螺旋，负责与DNA结合。 CAP必须与cAMP结合以后才有活性，一般只要结合一个cAMP就完全被激活。当 cAMP与CAP结合以后，CAP的构象发生变化，致使其C端的螺旋-转角-螺旋采取合适 的取向，从而能够识别DNA上的结合位点。
大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被阐明的操纵子。早在20世纪50年代， Jacob和Monod就开始研究大肠杆菌的乳糖代谢，集中研究乳糖对乳 糖代谢酶的诱导（introduction）现象：如果供大肠杆菌生在的培养基 中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶 （β-galactosidase）、乳糖透过酶（lactosepermease）和巯基半乳 糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5~5 个。可是一旦在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内， 每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至 可占细菌可溶性蛋白的5%~10%。与此同时，其他两种酶的分子数也 迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底 物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。
生物大分子体系的自组装和自组织
生物大分子体系的自组装和自组织当我们理解了生物大分子体系的自组装和自组织，我们就可以更好地理解自然界中复杂的生物现象。
在这篇文章中，我们将探讨自组装和自组织在生物大分子体系中的应用。
1. 生物大分子体系的自组装自组装是分子或物质按照一定规则组装形成更复杂结构的现象。
在生物学中，自组装存在于许多不同层次的结构中，从DNA的双螺旋结构到细胞内的微观结构都涉及自组装。
DNA双螺旋结构是自组装的一个重要例子。
DNA双螺旋结构由两个互补的DNA链以氢键键合在一起形成。
这个过程需要两条DNA链按照特定的规则对齐并进行配对。
这种自组装的结构不仅稳定而且高度规则。
同时，DNA的自复制依赖于这种双螺旋结构。
当DNA链分开时，每条链就可以作为一个模板来合成一条新的DNA链。
另一个例子是蛋白质的自组装。
蛋白质是生物体内的重要大分子，在生命活动中发挥着重要功能。
蛋白质的自组装是由氨基酸单元组成的多肽链按照一定规则折叠成复杂的三维结构。
这种结构不仅高度规则，而且可以满足不同的功能需求。
例如，酶蛋白具有催化反应的特殊功能，这个功能依赖于特定的蛋白质三维结构。
2. 生物大分子体系的自组织自组织是一个更广泛的概念，它指的是自然系统中物质和能量互作用产生的各种结构或循环。
在生物学中，自组织还涉及了可逆性和自适应性。
最简单的自组织结构可能是科学家们熟知的Turing结构。
在1952年，阿兰·图灵提出了这种自组织现象模型，它可以解释各种形态发生现象。
利用反应扩散系统，Turing模型可以模拟某些动物体表图案的产生。
生物大分子体系中的一个例子是神经元细胞内的信号传递。
神经元细胞中有众多信号转导分子，它们之间的交互能够形成大量的网络结构。
这些网络结构的特点就是自适应性。
在这个系统中，一个信号的强度对于大分子体系的组织和进化产生了极大的影响。
科学家们就是通过研究这的机理使用自组织，来对neural网络进行研究和开发。
另一个例子是生物大分子体系的细胞内细胞器和细胞骨架。
生物大分子的自组装与自组织研究
生物大分子的自组装与自组织研究生物大分子的自组装与自组织是生物学中一个重要的研究领域。
它涉及到生命起源、细胞功能以及生物体结构形成的关键过程。
通过研究生物大分子的自组装和自组织，科学家们能够更好地理解生命现象的本质，并为生物医学和纳米技术领域的发展提供新的思路和方法。
一、生物大分子的自组装自组装是指生物大分子根据其内在的相互作用力，在无外界控制下，自行组装成具有特定结构和功能的有序体系的过程。
生物大分子的自组装是生命系统中许多重要过程的基础，包括蛋白质折叠、核酸RNA和DNA的双链形成等。
1. 蛋白质的自组装蛋白质是生物体中功能最为复杂的大分子之一。
它们通过自身的物理、化学和生物学性质，在细胞中发挥着重要的功能。
蛋白质的自组装主要通过氢键、疏水作用、静电相互作用等力来实现。
通过这些相互作用力，蛋白质分子可以在细胞内形成具有特定功能和结构的三维空间结构。
例如，蛋白质的折叠过程就是一种自组装的过程，它决定了蛋白质的功能和活性。
2. 核酸的自组装核酸是生命的遗传物质，包括DNA和RNA。
它们通过自身的碱基配对规则，实现了生物遗传信息的存储和传递。
核酸的自组装过程主要涉及到DNA的双链形成和RNA的二级结构构建。
DNA的自组装过程是通过两条互补的单链DNA分子的碱基配对，形成稳定的双螺旋结构。
RNA的自组装过程则是通过RNA分子内部碱基间的碱基配对，形成具有特定功能和结构的RNA分子。
二、生物大分子的自组织自组织是指生物大分子在外界作用下，根据自身的内部规律形成具有复杂结构和功能的有序体系的过程。
自组织过程常常涉及到非平衡态力学和动力学的调控。
生物大分子的自组织是生物体形成有序结构的基础，如细胞膜的形成、细胞器的组织等。
1. 细胞膜的自组织细胞膜是生物体内细胞和外界环境之间的界面。
它的形成和维持对细胞的功能和生存非常关键。
细胞膜的自组织是通过脂质分子的自组装形成的。
脂质分子在水性环境中可以自发地形成脂质双分子层，其中疏水的脂质分子朝内，亲水的脂质分子朝外。
取向调控制备超薄MOF膜用于气体分离
;
2)多次生长覆盖缺陷法 ;
3)电
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超分子化学导论：模板和自组装
自组装与自复制
kary B. Millis利用聚合酶链反应，以少量寡核苷酸为模板 复制生成大量的寡核苷酸，获1993年诺贝尔化学奖。
一些重要术语
模板化（templating），自组装（self-assembly），自组织（Selforganization）
分子纽结的合成
催化和自复制体系
自组装研究的最终目标之一是产生能够模拟天然酶的催化能力的体系， 以及设计新的、能够实现天然体系不能实现的转换的人造酶。
自复制过程
模板和自组装
超分子络合物自身组装（Supramolecular complex assembles itself)
由易制备的小分子组分程序化地自动组合形成更大更复杂的聚集体。 为在通用的平板印刷技术和分子世界可得的组分与结构规模之间的差 距架起桥梁具有非常重要的潜在作用。
在电流电子和化学技术之间架起桥梁：
含有较少单体单元（n）的大环比较 稳定，随着n值增大，稳定度变差
自组装配位化合物
两种自组装形式： 分散的聚集体 聚合物
键的位点：汇聚或发散
超分子立方体
分子方和分子箱
稳定性差的金属离子和高浓度易生成互锁型
三维自组装胶囊
金属阵列的自组装
闭合络合物的氢键自组装
网球与垒球
对客体分子的包裹
正协同效应：Km+1: Km 大于上式计算所的数值，S图开口向下。 非协同效应：Km+1: Km 等于上式计算所的数值，S图为一直线。 负协同效应：Km+1: Km 小于上式计算所的数值，S图开口向上。
正协同效应是潜在的分子放大器的基本特征
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Controlled molecular assembly of self-propelled colloid motors and their biomedical applications 林显坤, 吴志光, 司铁岩 and 贺强Citation: 中国科学 : 化学 4747, 3 (2017); doi: 10.1360/N032016-00156View online: /doi/10.1360/N032016-00156View Table of Contents: /publisher/scp/journal/SSC/47/1Published by the 《中国科学》杂志社Articles you may be interested inRecent advances in self-propelled particlesSCIENCE CHINA Chemistry 6060, 1293 (2017);An energetics analysis of fish self-propelled swimmingSCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 6161, 074721 (2018);Numerical simulations of self-propelled swimming of 3D bionic fish schoolScience in China Series E-Technological Sciences 5252, 658 (2009);A study of a three-dimensional self-propelled flying bird with flapping wingsSCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 5858, 594701 (2015);Numerical simulations and vorticity dynamics of self-propelled swimming of 3D bionic fishSCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 5555, 272 (2012);引用格式： 林显坤,吴志光,司铁岩,贺强.可控分子组装的自驱动胶体马达及其生物医学应用.中国科学:化学,2017,47:3–13Lin X,Wu Z,Si T,He Q.Controlled molecular assembly of self-propelled colloid motors and their biomedical applications.Sci Sin Chim ,2017,47:3–13,doi:10.1360/N032016-00156© 2016 《中国科学》杂志社可控分子组装的自驱动胶体马达及其生物医学应用林显坤,吴志光,司铁岩,贺强*哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室,微纳米技术研究中心,哈尔滨150080*通讯作者,E-mail:qianghe@收稿日期:2016-07-29;接受日期:2016-09-23;网络版发表日期:2016-12-20国家自然科学基金(编号:21573053,21674029,21603047)资助项目摘要 人造胶体马达是能够将不同形式的能量转化为流体中机械运动的微纳米机器.自2012年以来,将自下而上的可控分子组装与自上而下的方法有效结合已成为可控构筑胶体马达的重要策略之一.基于可控分子组装(如层层组装)的胶体马达具有易于实现规模化制备、能够对外界刺激作出响应、便于实现多功能化等优点.本文综述了通过将各种功能性构筑基元集成到组装结构中进而实现胶体马达的可控构筑、运动控制以及生物医学应用等方面的研究进展.主要介绍了基于不同层层组装结构的气泡驱动马达的可控构筑,基于聚电解质多层膜微胶囊及纳米管的近红外光驱动马达的构筑,生物界面化马达的制备,实现对胶体马达运动速度、方向及状态有效控制的主要方法,以及马达在药物靶向递送、光热治疗和生物毒素清除等生物医学领域中的应用.关键词 胶体马达,可控分子组装,层层组装,自驱动,生物医学1 引言胶体马达是指能够将化学能、光能、声能或其他形式的能量转化为机械运动并完成复杂任务的微纳米系统[1~8],通常也被称为微纳米机器人.近年来,胶体马达(即人造微纳米马达)已逐渐成为微纳米技术等相关领域中的研究热点和难点之一.这是由于递送、分离以及传感等多种应用领域迫切需要微纳米粒子具有在微纳米乃至宏观尺寸进行高速运动的能力.胶体马达的研究将有望给药物靶向递送[9~12]、细胞的捕获与分离[13]、分析检测[14]、环境净化[15]以及纳米印刷术[16]等领域带来具有革命性的解决方案.胶体马达的常见形态包括阴阳型(Janus)球形粒子、纳米管、纳米线以及纳米棒等结构(图1)[7].通常,可将胶体马达按驱动能量的来源分为化学驱动和非化学驱动两类.化学驱动主要依赖于原位的化学反应,并且往往需要催化剂和化学燃料(如H 2O 2)的参与,而非化学驱动主要借助外界的电场、超声场以及光照等来提供能量,需要外界设备的参与.针对不同的情况,研究者已经提出了气泡驱动、界面张力梯度驱动、自电泳、自扩散泳、渗透压驱动、超声驱动、自热泳以及聚合反应驱动等多种驱动机理[17].中国科学:化学2017 年 第 47卷 第 1 期: 3 ~ 13SCIENTIA SINICA Chimica评述自驱动微马达专题林显坤等: 可控分子组装的自驱动胶体马达及其生物医学应用4图1 几类典型的胶体马达及其主要的运动机理示意图[7](网络版彩图)美国哈佛大学Whitesides 等[18]于2002年制备了厘米尺度的化学催化马达.该马达是由半圆柱形的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)薄片构成,在薄片上固定着Pt 覆盖的多孔玻璃.金属Pt 可以催化H 2O 2的分解,从而释放出氧气泡并推动马达在溶液中进行运动.尽管该马达具有厘米级的尺寸,但在胶体马达发展历史上仍具有里程碑意义.随后,Sen 等[19]和Ozin 等[20]成功地将自驱动马达的尺寸降到了微纳米量级,从而证明了利用化学反应驱动微纳米尺寸粒子在流体中运动的可行性[7].近年来,运用自上而下与自下而上方法有效结合来构筑基于可控组装结构的胶体马达已成为一种重要的马达构筑策略.2012年,本课题组[21]和Wilson 等[22]分别率先运用可控组装方法制备了自驱动胶体马达.本课题组[21]利用层层组装(layer-by-layer assembly,LbL)结合微接触印刷技术制备了气泡驱动的阴阳型聚电解质多层微胶囊马达,实现了集自驱动运动能力和装载能力于一身.Wilson 等[22]构筑了基于嵌段共聚物自组装体的纳米马达.通过控制实验条件,他们使两亲嵌段共聚物自组装所形成的囊泡转变为类裂口红细胞结构,并进一步实现了Pt 纳米粒子的包裹,从而制备了化学催化的自组装纳米马达.自此,自下而上方法(如层层组装、大分子自组装等)与自上而下方法(如微接触印刷、金属真空溅射等)相结合的构筑策略在胶体马达的可控制备、运动控制以及应用等方面已取得了长足的进步[23,24].可控组装[25]在胶体马达构筑方面具有诸多优势.首先,可控组装为未来实现具有精确结构的胶体马达的宏量制备提供了可能.其次,基于组装结构的马达可以对外界刺激具有良好的响应性.最后,可控组装结构提供了一个易于集成多种功能性组分从而实现多功能化的平台.胶体马达自驱动运动往往要求其结构具有不对称性等特征,因而目前仍需通过结合自上而下的方法来集成纳米构筑基元,从而实现智能胶体马达的可控制备.在各种组装方法中,LbL [26~28]是一种可控制备不同结构胶体马达的重要方法.通过分别带正、负电荷的聚电解质在不同模板上的交替沉积可以很容易地制备聚电解质多层膜(polyelectrolyte multilayers,PEM).所采用的模板将决定所制备PEM 的结构,以分散的胶体颗粒为模板可制得空心胶囊[29],在多孔模板的通道内进行交替沉积可获得PEM 纳米管[30],在固体基底表面沉积可获得多层薄膜.LbL 技术可以赋予所制备组装体以良好的结构和组成可控性,并且通过非共价相互作用可以将不同种类的功能性基元[31]集成到组装结构的内部或表面,从而使基于LbL 组装结构的胶体马达具有良好的多功能性和刺激响应性.本文主要介绍本课题组通过可控组装(尤其是LbL)方法以及多功能性纳米构筑基元可控集成,进而实现智能胶体马达可控构筑的研究进展.涉及气泡驱动、光驱动以及超声驱动胶体马达的可控制备,马达运动速度、方向以及状态控制,马达在生物医学等领域中的应用等内容.2 胶体马达的可控制备2.1 气泡驱动胶体马达框架结构的制备以及实现催化剂在组装结构中的不对称分布是构筑基于可控组装结构的气泡驱动胶体马达的重要步骤.框架结构决定了马达的形状和尺寸,并提供了集成纳米尺度构筑基元的平台.对于以H 2O 2为燃料通过气泡驱动的马达,Pt 纳米粒子或过氧化氢酶(catalase,CAT)是常用的催化剂.Pt 纳米粒子或CAT 能够催化H 2O 2分解为O 2和H 2O,而释放的氧气中国科学: 化学 2017 年 第 47 卷 第 1 期5泡能够推动胶体马达进行高速运动.本课题组[21]率先报道了基于LbL 技术的阴阳型微胶囊马达.该胶囊是由5个聚苯乙烯磺酸盐(poly(styrene sulfonate),PSS)/聚烯丙胺盐酸盐(poly(allylamine hy-drochloride),PAH)双层膜构成的,其直径约为8μm (图2).该研究中采用了树枝状Pt 纳米粒子,因其具有更大的比表面积以及催化活性,有利于实现马达的高速运动.可通过微接触印刷技术将树枝状Pt 纳米颗粒覆盖在已制备的胶囊表面,制备出了具有不对称结构的阴阳型微胶囊.简要地,将一个蘸有Pt 纳米粒子“墨水”的PDMS 图章放置于覆盖有PEM 的模板微球所形成的自组装单层表面,而后将修饰后的微球分散于水中,并用HF 移除二氧化硅粒子模版,即可获得Pt 纳米粒子不对称修饰的空心微胶囊.所得微胶囊马达可在15%的H 2O 2溶液中高速运动,并主要呈现出两种典型的运动轨迹,即圆形运动和螺旋形运动,其运动速度可分别达140和110μm s −1.此外,该马达在30%的H 2O 2溶液中可达到1mm s −1(相当于每秒125倍身长)的超快运动速度.除了微接触印刷技术,也可以利用真空溅射技术将Pt 覆盖在微胶囊的上半部分来制备具有阴阳型结构的微胶囊马达(图2)[32].在这种方法中,为使催化剂金属层与PEM 牢固地结合在一起,通常需要在两者之间填充Ti 或Cr 金属层做黏合剂层.与微接触印刷技术相比,真空溅射方法的优点在于可以通过控制金属溅射时间等参数构建厚度可调的多层结构,而且直接使用金属原子,不需要催化剂Pt 纳米粒子的合成.Bonchio 等[33]进一步将Pt 纳米粒子替换为可催化降解H 2O 2燃料的多金属氧簇,并将其组装于PEM 微胶囊中,从而获得了微胶囊马达,其运动速度可达25μm s −1.由于在该马达中,催化剂多金属氧簇是被夹在聚电解质多层内部的,即形成了三明治结构,因而易发生由氧气泡快速释放造成的微胶囊不可逆性破坏.同时可以用生物酶来代替作为催化剂的Pt 制备基于PEM 微胶囊的生物催化胶体马达[34].首先,在二氧化硅微球模板表面构筑(PSS/PAH)5多层膜,而后将所得粒子滴加到硅基底表面形成自组装单层,通过真空溅射依次在粒子的上半部覆盖Ni 和Au,最后将粒子从硅基底表面释放下来并用HF 刻蚀溶解二氧化硅模板,即可获得Au 金属层不对称修饰的空心微胶囊.进一步,在Au 层表面修饰3-巯基丙酸,利用化学反应便可实现CAT 的固定化.该生物催化胶体马达可在生理温度下在1%H 2O 2溶液中进行自驱动运动.如此低浓度的H 2O 2溶液对细胞具有较小的毒性.因此,CAT 可以作为Pt 纳米粒子催化剂的替代物,从而提高微胶囊马达的生物相容性.类似地,我们还制备了气泡驱动的PEM 壳状马达[35].该马达具有与微胶囊马达类似的结构,不同之处在于其催化剂层位于囊壁内侧且胶囊不是全封闭的(图3).首先,使直径约为20μm 的二氧化硅粒子在玻璃基底上形成自组装单层,而后将该自组装单层转移到Parafilm 薄膜上.通过轻微的按压以及在80℃下加热20min,使得冷却至室温后二氧化硅粒子部分嵌入到Parafilm 薄膜中.接下来,通过真空溅射技术在粒子表面覆盖一层金属Pt,并通过LbL 进一步覆盖(PSS/PAH)10多层膜.最后利用四氢呋喃溶解Parafilm 薄膜,并利用HF 溶解二氧化硅粒子模板,即可获得PEM 壳状马达.该马达的运动速度可达260μm s −1,在水中带电有机物的快速分离与检测方面具有潜在的应用.由多孔模板辅助LbL 技术制备的PEM 纳米管也可以转变为管状胶体马达.这种气泡驱动的管状胶体马达可被形象地称为“纳米火箭”[36].本课题组[37]率先报道了自驱动的PEM 纳米火箭(图4).在该研究中,选取图2 LbL 结合微接触印刷[21]或金属真空溅射[32]构筑阴阳型PEM 微胶囊马达的制备过程示意图(网络版彩图)图3 PEM 壳状马达[35]合成过程示意图(网络版彩图)林显坤等: 可控分子组装的自驱动胶体马达及其生物医学应用6图4 通过多孔模板辅助LbL 技术可控构筑纳米火箭[37]的制备过程示意图(网络版彩图)了两种可生物降解的天然高分子作为马达框架结构材料,即带正电荷的壳聚糖(chitosan,CHI)和带负电荷的海藻酸钠(sodium alginate,ALG),并选取了多孔的聚碳酸酯薄膜(polycarbonate,PC)为模板,以Pt 纳米粒子为分解H 2O 2燃料的催化剂.首先,将CHI 和ALG 交替地沉积在PC 模板孔道内,进一步将Pt 纳米粒子沉积在多层膜的内表面,最后经过打磨处理并用有机溶剂去除模板,即可获得分散的纳米火箭.所采用的PC 模板孔道具有不对称性,并使得所得纳米管具有锥形结构,即纳米管具有直径不同的两个开口端.这将促使氧气泡倾向于从较大的开口端被释放,进而推动纳米火箭的高速运动.该纳米火箭的运动速度可达74μm s −1(相当于每秒运动10倍体长).以具有良好生物相容性的牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)和聚赖氨酸(poly(L-lysine),PLL)为壁材可构筑生物可降解的纳米火箭[38].该研究还利用生物相容的明胶(gelatin)所具有的溶胶-凝胶相转变能力实现了对CAT 、Au 纳米粒子以及模型药物阿霉素(doxorubicin,DOX)的装载.在40℃将上述材料的混合水溶液填充进入已组装了PEM 的多孔模板孔道内,待温度降低至4℃时明胶将发生从溶液到凝胶的转变,从而实现各种功能基元的装载.该纳米火箭在生理温度下在0.5%H 2O 2溶液中可达4μm s −1的运动速度.利用与α胰凝乳蛋白酶(α-chymotrypsin)共培养可测试纳米火箭的生物可降解性.研究发现,共培养24h 后,该纳米火箭可降解为薄片状结构.通过LbL 方法与微接触印刷技术的有效结合还可以制备二维盘状的PEM 胶体马达(图5)[39~42].首先,直接在PDMS 印章上组装PEM,而后利用微接触印刷技术将PEM 转移到聚乙烯醇(polyvinylalcohol,PV A)薄膜上并形成PEM 二维盘状结构阵列.进一步,利用真空溅射技术在盘状结构表面覆盖Pt 金属层,并利用热水溶解PV A 薄膜,即可获得二维盘状的PEM 胶体马达.该图5 二维盘状的PEM 胶体马达[39]的制备过程示意图(网络版彩图)胶体马达可因氧气气泡成核位置的区别而呈现出不同的运动行为.2.2 光驱动胶体马达因为近红外光(near-infrared light,NIR)在人体组织中具有良好的透过性,由NIR 来驱动胶体马达的运动对于其在生物医学等领域中的应用具有重要的意义.以光能作为马达运动的能量源可以有效避免有毒化学燃料(如H 2O 2)的使用,并可实现马达运动的远程供能与控制.将Au 纳米棒或Au 纳米壳层不对称地修饰在微胶囊或PEM 纳米管上,并利用其在NIR 照射下光热效应所产生的温度梯度已成为一种实现NIR 驱动马达运动的重要途径.本课题组[43]制备了由CHI 和ALG 多层膜构成的NIR 驱动的阴阳型微胶囊马达.CHI/ALG 微胶囊马达是通过常规的模板辅助LbL 技术结合微接触印刷技术制备的(图6).在这里,采用含有Au 纳米棒的CHI/ALG 多层膜作为微接触印刷的“墨水”,从而使得Au 纳米棒仅富集于微胶囊马达的一侧.所使用的Au 纳米棒在近红外区(850nm)具有等离子共振吸收.在NIR 激光照射下所产生的热梯度推动了马达的运动,从而避免了有毒化学燃料的使用.该马达在9.6J cm −2激光照射下的运动速率可达23.27μm s −1.本课题组[44]进一步报道了超快的NIR 驱动的PEM 纳米火箭.该纳米火箭的框架结构是通过PSS 和PAH 在PC 模板的孔道内进行LbL 沉积而获得的.随后,利用静电相互作用将直径约为20nm 的Au 纳米粒子组装在所制备的(PSS/PAH)20纳米管内部.进一步, 通过种中国科学: 化学 2017 年 第 47 卷 第 1 期7图6 光驱动的阴阳型微胶囊马达[43]的制备过程示意图(网络版彩图)子生长过程可将Au 纳米粒子转变为Au 纳米壳层,最后使用二氯甲烷溶解PC 模板后,即可获得NIR 驱动的PEM 纳米火箭.这种NIR 驱动的火箭可以在水中进行沿火箭轴向的前进运动,其速度可高达160μm s −1(相当于每秒13倍体长).理论模拟研究表明,这种具有不对称结构的纳米火箭在NIR 照射下,内部的Au 纳米壳将光能转化为热能从而在火箭的附近区域产生了不对称的热梯度.这种热梯度所带来的热泳作用是该纳米火箭运动的主要驱动力.此外,这种NIR 驱动的PEM 纳米火箭可以在细胞培养基中进行有效运动并且NIR 在驱动马达运动过程中不会对细胞造成影响.2.3 生物界面化胶体马达细胞膜可以被看作是自然界创造的一类特殊组装结构.通过将细胞膜或仿生膜与胶体马达进行有机结合可以获得生物界面化的胶体马达.各种细胞膜已被融合到介孔硅纳米胶囊、Au 纳米壳层结构、阴阳型微胶囊等结构表面用以改善这些微纳米结构在药物递送、光热治疗等应用中的生物相容性等[45~53].同样,通过生物界面化可以有效地提高胶体马达的生物相容性,使其在生物介质中仍然可以进行高速的运动,并避免生物体组织的排异与吞噬,进而可以实现马达在生物体内的长时间循环.此外,通过生物界面化还可以提高马达的靶向识别能力.这些改进都有利于促进胶体马达在生物医学等领域中的应用.本课题组[54]率先实现了直径仅75nm 的自驱动阴阳型纳米马达的制备,并利用自行研制的高分辨光学显微镜对纳米马达的运动行为进行了系统研究.这是国际上较早开展100nm 尺寸以下的胶体马达研究的代表性工作之一.尽管这种纳米尺寸的胶体马达给其运动的观察带来了困难,但其在生物医学应用中,尤其是药物递送等领域,却具有重要的意义,因为理想的药物载体应能够穿过人体内的屏障.该纳米马达由直径约为65nm 的介孔二氧化硅纳米粒子制备而成.利用真空溅射在这种纳米粒子的部分表面覆盖了Pt 金属帽,使得马达可在过氧化氢降解所释放的氧气泡推动下进行自驱动运动,并达到20.2μm s −1(相当于每秒267倍身长)的运动速度.因其所具有的孔道结构,这种纳米马达还可用于药物的装载及在细胞内的释放.为此,需在该纳米马达表面组装混有叶酸的卵磷脂双层.这种仿生膜有利于促进马达与癌细胞的识别,并保持模型药物在该马达孔道内的装载.最近的研究表明,如果将Pt 金属层替换为Au 金属层,还可以构筑NIR 驱动的介孔硅纳米马达.该马达可以实现每秒950倍身长的超高速运动[55].本课题组还与张良方课题组[56]合作,通过利用一种低渗溶血的方法将Fe 3O 4纳米粒子组装到红细胞内构筑了以天然红细胞(red blood cells,RBC)为基础的微马达.这种微马达可在外源超声场下实现自驱动运动,并且可通过外源磁场控制其运动方向.在超声场下,红细胞马达的不对称结构以及磁性纳米粒子在红细胞马达内部的不均匀分布造成了压力梯度差,这种压力差是红细胞马达运动的主要驱动力.这种红细胞马达保留了天然红细胞的结构和生物特征,具有良好的生物相容性,可以免于巨噬细胞的吞噬.进一步,还可以在红细胞内同时引入量子点、DOX 和磁性纳米粒子等多种组分,从而在良好的生物相容性基础上实现多通道荧光成像、外加磁场导航的超声驱动以及药物递送等多种功能(图7)[57].除了将纳米粒子装入细胞内而将细胞转变为胶体马达,将由细胞膜制备得到的囊泡融合到纳米结构的表面也是一种构筑生物界面化胶体马达的有效方法.通过将由新鲜红细胞制备得到的囊泡融合到Au 纳米线的表面可以构筑具有良好生物相容性的超声驱动马达[58].这种Au 纳米线是通过模板辅助的电化学沉积技术制备的,具有独特的内凹形末端,可在超声场存在下进行自驱动运动.以超声场作为自驱动运动的能量来源,可有效避免有毒燃料的使用,是一种生物友好的驱动方式.此外, 采用与制备PEM 壳状马达类林显坤等: 可控分子组装的自驱动胶体马达及其生物医学应用8图7 通过同时引入量子点、DOX 和磁性纳米粒子等多种功能基元将红细胞转变为仿生的胶体马达[57](网络版彩图)似的方法,将Mg 微粒部分嵌入Parafilm 薄膜,并在裸露的表面依次沉积Au 纳米粒子、ALG 以及红细胞膜,而后溶解除去Parafilm 薄膜,可以制备以水为燃料气泡驱动的生物界面化阴阳型胶体马达[59].该马达可在生物介质中运动,而不会被污损,可用于细胞毒素的清除.3 胶体马达的运动控制3.1 运动速度控制对于气泡驱动的胶体马达,在一定燃料浓度范围内,通常随着燃料浓度的增加,马达的速度也将增加.我们发现当H 2O 2浓度从1%增加至15%时,纳米火箭的运动速度可增加14倍[37].这种运动速度的增加是与氧气泡释放频率的增加紧密相关的.研究发现,在同样的H 2O 2浓度范围内,氧气泡的释放频率由2Hz 增加到了30Hz.该研究同时也发现增加溶液温度可以急剧加速马达的运动.这是由于温度的增加加速了催化反应速率,并提高了传质速率.对于光驱动的胶体马达,调控NIR 激光的辐照强度是控制其运动速度的有效途径.NIR 驱动微胶囊马达的平均运动速度可随着辐照激光强度的增加而从1.3μm s −1增加至23.27μm s −1(图8(a))[43].而对于超声驱动的胶体马达,可以通过调控超声换能器的电压来方便地控制超声场的强度,进而控制胶体马达的运动速度.红细胞膜修饰的Au 纳米线马达的平均运动速度可随超声换能器电压从1V 增至6V 而从5μm s −1增加至43μm s −1(图8(b))[58].该研究也表明红细胞膜修饰对超声驱动纳米线马达的运动速度影响很小.3.2 运动方向控制胶体马达运动轨迹与方向的控制对于其在靶向运图8 (a)NIR 驱动微胶囊马达的运动速度与激光辐照能量之间的依赖关系[43];(b)红细胞膜修饰的(虚线)及未修饰(实线)的超声驱动Au 纳米线马达的运动速度与超声换能器电压之间的依赖关系[58]输或分离等方面的应用是至关重要的.引入磁性组分(如磁性纳米粒子)是一条实现对胶体马达运动方向控制的简便途径.本课题组[37]通过LbL 技术将Fe 3O 4纳米粒子集成到了聚合物纳米火箭中,并实现了在外加磁场远程控制下纳米火箭向HeLa 癌细胞的靶向运动.扫描电子显微镜结果表明,该纳米火箭可进一步贴附在细胞表面,甚至刺入细胞内部.在利用微接触印刷制备微胶囊胶体马达的过程中可以将柠檬酸稳定的Fe 3O 4纳米粒子组装进入PEM 中,从而实现了在外加磁场下对微胶囊马达运动方向的控制[21].需要指出的是,对磁场强度可以进行一定的控制,使其仅可以改变马达的运动方向,而基本不会对马达自身的运动速度产生影响.除了引入磁性纳米粒子外,也可以利用真空溅射的方法在微胶囊马达表面部分覆盖具有磁性的Ni 金属层来实现对胶体马达运动方向的控制[34].研究还发现,当外加磁场强度处于一定范围内时可以导致微胶囊马达阴阳型结构取向的变化,而不会改变其位置,也即可实现马达可控的旋转.由于引入了不对称分布的磁性Fe 3O 4纳米粒子,基于红细胞的超声驱动胶体马达在外加磁场条件下可产生净磁场,进而通过外加磁场的开关可以实现对马达运动方向的周期性控制(图9)[56].而在外加磁场开关的条件下,天然红细胞的运动方向几乎不受影响(图9(c)).3.3 运动状态控制对胶体马达运动的启停状态进行有效的远程控制对于马达在药物递送与释放等生物医学领域中的应用具有重要意义.应用NIR 可对气泡驱动PEM 纳米火箭的运动状态进行远程控制[60].首先,将Pt 纳米粒子组。