在國家自然科學基金的支持下，由哈爾濱工業大學醫學與健康學院賀强教授、吳英傑副教授與中科院物理所楊明成研究員合作完成的一項科研課題“趨化膠體馬達的扭矩驅動定向運動”，日前在線發表於最新一期國際權威期刊《德國應用化學》上。這項成果使學界對亞微米級仿生流線型膠體馬達定向運動有了更深刻的認識，可望今後在藥物靶向遞送、光熱治療和生物毒素清除等生物醫學領域取得新突破。
專家解釋說，趨化運動是指可運動細胞對化學梯度的直接反應，被稱作化學趨化性，對許多生理過程都非常重要，在自然界的生物系統中扮演重要的“角色”。例如，大腸桿菌等微生物能感知溶液中的葡萄糖梯度，並趨向高濃度葡萄糖區域運動。儘管已有研究從理論上預測了化學驅動合成馬達可能像中性粒細胞一樣，通過自我定向實現真正的趨化，但以往的實驗觀察只展示了化學活性依賴的聚集現象。
同時，要達到主動靶向遞送、細胞手術等生物醫學應用的目的，膠體馬達必須具備亞微米尺度、優异的燃料生物相容性、趨化能力突出等特點。然而亞微米的尺寸亦使膠體馬達的運動姿態變化難以被實时“捕捉”到，限制了對其趨化機制的深入探索。囙此，如何設計合成能够滿足未來生物醫學需求、具有趨化能力的亞微米尺度膠體馬達，仍是人們面臨的一道棘手難題。
針對上述挑戰，賀强教授團隊受自然界微生物泳動和趨化行為的啟發，設計製備了亞微米尺寸、圓底燒瓶狀葡萄糖驅動的仿生流線型膠體馬達。這種奇特的燒瓶狀膠體馬達可自主感知葡萄糖燃料的濃度梯度，並向高濃度葡萄糖區域運動和聚集，展示了類似細菌群體的集羣趨化運動行為。鑒於該膠體馬達的特殊瓶狀結構，研究團隊利用配備高速攝像機的光學顯微鏡直接跟踪、記錄了單個燒瓶狀膠體馬達自主感知並取向葡萄糖濃度梯度、完成正趨化運動的完整軌跡。
賀强團隊結合實驗數據的物理分析、理論計算和介尺度類比，發現瓶內酶催化反應產生的葡萄糖酸稀釋了瓶口周圍的葡萄糖濃度梯度；瓶口和瓶底處濃度梯度所形成的兩個擴散泳力的差值，導致一個淨自擴散泳力矩的出現。這一自擴散泳力矩可以抵消液體中分子碰撞的影響，驅使膠體馬達完成從瓶底向瓶口方向的正趨化運動，建立了瓶狀膠體馬達趨化運動的扭矩驅動再定向微觀機制。
專家評估指出，儘管與天然細菌趨化性的微觀機制不同，該瓶狀膠體馬達仍可模仿大腸桿菌的趨化運動行為，從而為定向運動化學驅動膠體馬達的設計提供了重要的理論和實驗依據，既能够幫助人們理解和調控活性物質，拓展對生命系統中自組織行為的認知，也加快推進了膠體馬達和遊動納米機器人在精准醫療等方面的轉化行程。