收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

自驱动阴阳型聚合物多层胶囊马达的仿生设计与组装

吴英杰  
【摘要】:化学催化微纳米合成马达是能够借助化学催化的方式将环境中的化学能转化为动能的人造微纳米装置。自然界中,驱动蛋白、肌球蛋白等分子马达能将三磷酸腺苷(即ATP)催化分解的能量转化为动能。受此启发,近十年来人们致力于人造微纳米马达的设计与合成,以期实现在靶向给药、分离、生物传感、微纳米器件等领域的应用。基于此,本论文受分子马达催化水解三磷酸腺苷获得能量实现运动的启发,运用层层自组装技术制备了系列阴阳型中空聚电解质微胶囊马达。通过在胶囊的一侧组装催化剂,催化分解过氧化氢溶液产生氧气以驱动微胶囊马达运动,并对运动行为和机理进行深入研究和讨论。首先采用层层自组装技术来制备聚电解质中空微胶囊,并对微胶囊的结构、形貌、装载能力和热稳定性等性能进行研究。利用激光共聚焦显微镜、电子扫描电镜和透射扫描显微镜等手段进行表征,结果显示制备得到的聚电解质中空微胶囊平均粒径为8μm,形貌均一、结构稳定、具有很好的单分散性。其次,通过改变溶剂的方法对微胶囊囊壁渗透性进行调控实现微胶囊的有效装载。进一步对微胶囊的热稳定性进行了研究,在650 nm的聚焦激光束的诱导下实现了金纳米颗粒掺杂聚电解质微胶囊的快速融合。探讨了金纳米粒子密度在融合过程中对的微胶囊融合速率的影响。通过对微胶囊基本性能的这些研究,为后续自驱动阴阳型微胶囊马达的设计制备打下了良好的基础。选择了具有相对较高稳定性和催化活力的铂作为催化剂,采用层层自组装技术与微接触印刷相结合的方法,设计制备了一种树枝状铂纳米粒子修饰的阴阳型聚合物多层胶囊马达。通过扫描电子显微镜及透射电子显微镜进行测试,结果表明直径为200 nm的树枝状的铂纳米颗粒成功修饰在胶囊的一侧,胶囊结构保持完成。进一步研究了马达在过氧化氢溶液中的运动,结果显示马达可进行圆周运动和螺旋形运动,运动速度依赖于过氧化氢浓度,随过氧化氢浓度的增加而升高,在30%过氧化氢溶液中速度可高达1 mm/s。采用层层自组装技术与真空溅射镀膜法相结合的方法,设计制备了一种铂壳半包覆的阴阳型聚合物多层胶囊马达。扫描电子显微镜等表征结果显示约10 nm厚的铂壳包覆在微胶囊一侧,这种催化剂在马达表面的不对称分布,能够有效提高运动驱动力从而提高马达的运动速度。进一步研究了铂壳催化阴阳马达在低浓度过氧化氢中的运动,结果显示在5%的低过氧化氢溶液中马达的平均速度达到140μm/s,约80%的马达粒子可进行自驱动运动,在0.1%的临界浓度过氧化氢中,通过激光刺激的方法实现了马达运动的“启/停”控制。为了提高人造马达的催化速率及生物相容性,本论文采用真空溅射与EDC交联相结合的方法合成了基于过氧化氢酶作催化剂的生物杂化马达。与铂催化马达相比,酶催化马达的生物相容性有了进一步提高。通过对酶催化马达进行渗透性测试,结果表明,马达结构未被破坏仍然保留微胶囊的装载优点,并确定了微胶囊马达能够有效装载的分子量为10 k Da。对马达运动速度进行统计分析,结果表明相同过氧化氢浓度下酶催化马达在运动速度上远高于铂催化马达,5%过氧化氢中速度可达140μm/s。在生理温度37oC条件下,相比室温条件微马达可以在更低浓度过氧化氢溶液中运动,在0.1%过氧化氢中依然可以运动速度为5μm/s。体外细胞实验成功实现了马达对目标癌细胞的磁靶向运动控制,并通过近红外激光刺激实现了对包裹药物的远程控制释放。以上介绍的气泡驱动微胶囊马达运动的驱动力来源于过氧化氢的催化分解,所以微马达的应用只能局限于过氧化氢溶液中。不需要消耗燃料的纳米发动机的设计制备对未来体内生物医学运输和药物输送应用至关重要。基于以上思路,本文设计制备了仅用水作为介质的非对称型光热驱动马达,这种基于光热驱动的阴阳微胶囊马达能将光能转化成热能进而转化成机械能实现自主运动。进一步开展了微型光热驱动机制的理论研究,利用自行研制的驱动控制及显微镜观测系统,对不同功率激光驱动下的运动进行了统计分析。在功率为100 m W的聚焦激光照射下,光驱动马达通过光热效应产生瞬间高温,可在一秒内实现自主运动,5 s内均方位移可以达到250μm,且运动速度随激光强度的升高而增加。在110 m W的非聚焦激光功率下直径1μm的胶囊马达速度可以达到大约30μm/s。马达的运动速度与激光强度成正比与马达直径成反比。通过分析马达的光热效应,建立了光热驱动的热学模型。在动态模拟的基础上,进一步建立了光热治疗的理论模型,体外细胞实验成功实现了光热微驱动马达对癌细胞主动靶向作用及光热治疗的应用。综上所述,本论文中研究制备的阴阳型微胶囊马达,以其独特的性能和诸多优点,使我们相信它能够在诸多领域获得广泛应用,具有良好的应用前景。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘云凤,邵斌,王义永,许新德;食品和饲料添加剂工业中微胶囊产品的特性研究[J];中国食品添加剂;2004年03期
2 蔡涛;王丹;宋志祥;佘万能;;微胶囊的制备技术及其应用[J];化工中间体;2009年12期
3 蔡涛;王丹;宋志祥;佘万能;;微胶囊的制备技术及其应用[J];粘接;2010年04期
4 尹五生;刘红武;;微胶囊化专论[J];贵州化工;1992年02期
5 李春燕,陈水林;染料微胶囊的制造与应用[J];印染助剂;2000年06期
6 邓泽元,余迎利,黄建龙;微胶囊油溶性茶多酚及其抗氧化能力的研究[J];食品科学;2001年11期
7 张可达,徐冬梅,王平;微胶囊化方法[J];功能高分子学报;2001年04期
8 ;微胶囊化偃松仁全粉(乳珍)[J];食品与机械;2001年02期
9 陆强;长效缓释型微胶囊碘剂的开发与应用[J];食品科技;2002年03期
10 ;微胶囊造粒技术[J];江西食品工业;2002年03期
11 王莉,李润国;微胶囊型尼泊金丙酯的研究[J];沈阳教育学院学报;2002年02期
12 徐冬梅,张可达,王平,朱秀林;微胶囊的功能及应用[J];精细石油化工;2003年06期
13 陆晓滨,耿建华,赵祥忠,董贝磊,刘庆军;微胶囊法生产酥油茶工艺的研究[J];食品与发酵工业;2003年05期
14 刘永庆;微胶囊印花[J];丝网印刷;2003年02期
15 陈晓玲,王璋,许时婴;微胶囊化桔油的制备及其风味评定[J];食品科学;2004年06期
16 徐冬梅;微胶囊的功能及应用[J];牙膏工业;2004年02期
17 田云,卢向阳,何小解,黄成江,罗泽民,肖红波;水溶性儿茶素微胶囊的制备研究[J];中草药;2004年08期
18 孙厚良;喷雾干燥法制备微胶囊工艺研究[J];化工时刊;2005年10期
19 阳晖;蒋爱民;刘思聪;陈伟;曹稳;;肠溶性益生菌微胶囊的研究[J];食品研究与开发;2006年01期
20 黄秀娟;;微胶囊化油脂的生产技术[J];粮油食品科技;2006年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱正华;朱良均;闵思佳;张海萍;杜孟芳;;丝素蛋白微胶囊的制备及结构特征的研究[A];中国蚕学会第七届二次理事会暨学术年会论文集[C];2005年
2 高龙;王全杰;马丽娜;宋宇;李静;;艾蒿精油微胶囊的制备[A];2010年全国皮革化学品会议论文集[C];2010年
3 江晓利;常聪慧;徐义;;低沸点溶剂对热敏微胶囊形貌和性能的影响研究[A];2006中国科协年会——数字成像技术及影像材料科学学术交流会论文集[C];2006年
4 江晓利;常聪慧;徐义;;低沸点溶剂对热敏微胶囊形貌和性能的影响研究[A];提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集(下册)[C];2006年
5 徐延良;韩相恩;吴玉彬;;微胶囊的制备及影响因素的研究[A];甘肃省化学会第二十五届年会、第七届甘肃省中学化学教学经验交流会论文集[C];2007年
6 李明伟;黄威;曾岗;赫晓东;;原位聚合法制备石蜡微胶囊相变贮热材料[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
7 江晓利;李晓苇;常聪慧;;热敏微胶囊信息记录材料的壁材研究[A];中国感光学会第七次全国会员代表大会暨学术年会和第七届青年学术交流会论文摘要集[C];2006年
8 毛华军;晏华;蔡万秀;田文全;;石蜡微胶囊的制备及其在隔热腻子中的应用与表征[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
9 毛华军;晏华;谢家庆;赵光哲;陈淑莲;陈勇;;原位聚合法制备石蜡微胶囊的工艺研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(8)[C];2007年
10 周冠华;杨幼慧;;双歧杆菌微胶囊化的研究进展[A];第三届“益生菌、益生元与健康研讨会”论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李珅;海藻酸钠—聚阳离子微胶囊腹腔移植被包裹规律及其影响因素的研究[D];大连理工大学;2015年
2 吴英杰;自驱动阴阳型聚合物多层胶囊马达的仿生设计与组装[D];哈尔滨工业大学;2015年
3 董志俭;复合凝聚薄荷油微胶囊的研究[D];江南大学;2008年
4 李卓;聚脲微胶囊的研制及其在纺织上的应用[D];东华大学;2002年
5 赖伟东;光热敏微胶囊材料信息记录特性研究[D];河北大学;2009年
6 邹强;双歧杆菌微胶囊的研究[D];江南大学;2012年
7 钟毅;分散染料微胶囊的研制及其无助剂免水洗染色[D];东华大学;2007年
8 李海燕;脲醛树脂微胶囊表面改性及对环氧树脂的自修复性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 仝维鋆;新结构聚电解质微胶囊的制备与性能研究[D];浙江大学;2007年
10 王丰;原位凝聚法制备聚电解质微胶囊及其性能研究[D];浙江大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘云鹏;微胶囊型自修复聚硅氧烷弹性体的结构与性能研究[D];华南理工大学;2015年
2 冯喜庆;界面聚合法制备香精微胶囊及其在香味纸中的应用[D];东北林业大学;2015年
3 鄂卓;自修复涂层用微胶囊的制备与工艺研究[D];燕山大学;2015年
4 盛云霞;生物质基抗真菌鞋材的制备及性能研究[D];陕西科技大学;2015年
5 赵洪宾;蜜胺树脂香精微胶囊的制备及性能研究[D];天津城建大学;2015年
6 吴梓敏;癸酸—棕榈酸/脲醛树脂微胶囊相变材料的制备及应用研究[D];仲恺农业工程学院;2015年
7 李学超;口服肠溶性抗PRRSV-1gY微胶囊的研制及其性能的研究[D];山西农业大学;2015年
8 李维;乙酸苏合香酯微胶囊的制备及其性能研究[D];上海应用技术学院;2015年
9 贺龙;以海藻酸钠/壳聚糖为壁材的三种甜橙微胶囊的制备与性能研究[D];上海应用技术学院;2015年
10 梅庆波;氢氧化铝的改性及其在聚丙烯阻燃中的应用研究[D];上海应用技术学院;2015年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 沈罛;微胶囊悬浮剂推动农药更新换代[N];中国化工报;2003年
2 重庆工商大学绿色食品研究所 唐春红;5大创新技术在防腐抗氧剂中的应用[N];中国食品报;2010年
3 刘国信;微胶囊化技术有益食品业[N];中国化工报;2001年
4 王红;高分子微胶囊制备研究获突破[N];中国化工报;2003年
5 中国印染行业协会 凯华;新、奇、炫,从色彩开始[N];中国纺织报;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978