血液相容的Mg/PNIPAM-Au微米发动机的制备、药物运载与光控释放

Self-propelled micro-/nanomotors have promising potential applications in drug delivery, biosensors, as well as protein and cell separation etc. In this project, we propose a Mg/Poly(N-isopropylacrylamide)-Au (Mg/PNIPAM-Au) smart Janus micromotor which is capable of loading, transporting and photoresponsive releasing drug molecules. In consideration of the biocompatibility of magnesium, water fuel medium and the resultants of magnesium-water reaction, the proposed Mg/PNIPAM-Au may have a promising biocompatibility compared to that of the existing micro-/nanomotors. The topological surface modification method will be developed for the fabrication of Mg/PNIPAM-Au Janus micromotors. The controlling protocols of the structures and morphologies of the Mg/PNIPAM-Au Janus micromotors will be studied. The influence of the structures and morphologies of the micromotors, as well as the viscosity, surfaces tension and compositions of the water fuel medium (including various magnesium hydroxide passive layer eliminators (MHPLEs), concentration and pH value) on the autonomous motion and hemocompatibility of the micromotors will be analyzed. The design principles, fabrication method, chemical reaction mechanism of the self-propulsion, and the controlling protocols of the drug loading and photoresponsive releasing of the hemocompatible micromotors will be established. The research results to be obtained in this project are expected to be helpful for promoting the practical biomedical application of micro-/nanomotors.

自驱动微纳发动机在药物运输、生物传感、以及蛋白质和细胞分离等方面有重要的潜在应用前景。该项目针对现有的自驱动微纳发动机存在生物相容性差的难题，考虑到金属镁(Mg)及其与水反应的产物生物相容性好，设计制备可运载并光控释药的Mg/聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)-金（Au）双面神智能微米发动机。发展Mg/PNIPAM-Au微米发动机的拓扑表面改性制备方法，研究其结构形貌的调控原理，以及和水燃料介质的化学组成（包括氢氧化镁惰性层去除剂的种类、浓度和pH值）、表面张力及粘度对微米发动机的自主运动速率、轨迹和血液相容性的影响规律；研究微米发动机的光致体积相变响应时间、载药和光控释药性能对其形貌结构和水燃料介质的依赖性。分析建立与血液相容的Mg/PNIPAM-Au智能微米发动机的设计原理、制备方法，自驱动的化学反应机理、药物运载和光控释放的控制策略，为其在生物医学方面的实际应用奠定基础。

自驱动微纳发动机是一种可以将化学能转变为动能的微纳米器件，在液相介质中它具有装载、运输及释放各种微纳“货物”的功能。因此，自驱动微纳发动机在许多重要的领域，如环境修复、细胞分离、生物传感器和药物运输等领域，都具有潜在的应用前景。然而它们大多需要双氧水、强酸、强碱、溴或碘的溶液作为燃料，而这些燃料都具有强的毒性或腐蚀性，与生物体的相容性差，从而限制了自驱动微纳发动机的实际应用，特别是在生物医学方面的应用。本课题针对已有自驱动微纳米发动机存在生物相容性差的难题，考虑到金属镁及其与水反应的产物生物相容性好，设计制备可运载并可控释药的镁基双面神智能微米发动机。研究了镁基双面神微米发动机的设计制备与形貌结构调控策略、运动性能以及载药和药物定位可控释放性能。通过本项目的执行，发展了镁基微米发动机的拓扑表面改性制备方法和结构形貌调控原理，探明了镁基微米发动机的自驱动的化学反应机理、血液相容性、药物运载与释放的控制策略，研制出了可直接由血浆或模拟体液驱动的载药Mg/Pt-PNIPAM双面神微米发动机，可持续缓释H2分子药物的Mg@porous SiO2粒子。此外，我们紧跟微纳米发动机的研究前沿，针对现有微纳米发动机存在的结构与制备工艺复杂、运动方向难以控制等瓶颈问题，发展了一系列结构简单且运动可控的微纳米发动机，展示了它们在水处理和微纳米粒子操控方面的应用前景。本项目部分研究结果已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Nanoscale和ACS Applied Materials &Interfaces等国际权威期刊上发表学术论文8篇。其中三篇论文分别被选为Advanced Materials、Advanced Functional Materials和Nanoscale期刊底封面（Back Cover）文章。申请国家发明专利1项（201610900960.2）。本项目的研究结果不仅能推动微纳米发动机的创新设计，而且将显著推动微纳米发动机的实际应用。