[发明专利]自驱动微纳米马达输运系统、运输方法及模拟方法

说明书

本发明公开一种新型的自驱动微纳米马达输运系统、运输方法及模拟方法，属于自驱动微纳米马达领域。输运系统包括初始腔室、通道、收集点和各种粒子，粒子包括溶液粒子A、燃料粒子B、产物粒子P和微纳米马达。模拟方法包括：构建输运系统的物理模型；确定初始状态参数，包括温度、质量、尺寸、所有粒子的初始位置；计算并更新下一个时间步长的溶液粒子的位置和速度；计算二聚物马达受力，通过Verlet算法计算二聚物马达的当前位置和速度；更新并输出二聚物马达的当前位置，速度和受力数据；回到第三步模拟下一个时间步长直到仿真结束。本发明降低了操作的复杂性，对原环境影响小；简化活性粒子的输运通道设计，提高输运效率；设计更加环保。

技术领域

本发明属于自驱动微纳米马达领域，用于靶向药、蛋白质等大分子的输运，具体涉及自驱动微纳米马达输运系统、运输方法及模拟方法。

背景技术

现阶段，在自然界中有大量的活性生物大分子存在，吸收环境中的能量转化成动能从而获得运动。科学家们结合活性生物大分子合成人工纳米马达。最早的以化学反应驱动的纳米马达是由Whitesides等人提出，在含有催化成分Pt的圆盘形状的纳米马达在H₂O₂的系统中，H₂O₂在Pt的催化下，可以生产氧气气泡从而推动圆盘运动。还有一些纳米管马达，气体聚集在微型管状马达的内部，并从一端排出，表现为气泡驱动或者扩散电泳来驱动。

自我组织和斑图的形成，在生命系统中导致了多种生物结构的出现。细菌的排列运动生成了巧妙的斑图，包括流型，分蜂群，和异常密度涨落。有些种类的微粒显示捕食行为对光化学作用的反应。水介质中的微粒表现为“排斥分散”和“聚集成群”之间的转变，这是由改变化学平衡或对紫外光作出反应而触发的。在这些系统中，在粒子表面发生的催化反应产生了梯度场，如电、热和浓度场，这些场通常能够导致自泳机制和突发集体行为，从而能够引导粒子的运动行为。

研究者设计出依靠燃料反应驱动的微纳米马达后可以对其潜在的应用进行研究，二聚物马达可以用来药物输运、基于运动的生物传感、纳米颗粒组装和环境修复等等。在药物输运方面荷兰奈梅大学教授Daniela A.Wilson课题组通过研究，可以利用高分子纳米马达把药物输送到指定的癌细胞中。他们用PEG-PCL和PEG-PS进行相似的组装，把抗癌药物阿霉素装载到Pt纳米颗粒中，这样组装成纳米马达，将药物输运到癌细胞中。因此，如何将这些携带药物的马达输运到指定地点是工作的重点之一。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种自驱动微纳米马达输运系统、运输方法及模拟方法，本方法基于一种粗粒化微观动力学方法，该方法考虑了多体流体动力相互作用、浓度梯度、马达间的直接势相互作用以及热效应的耦合，考虑多种影响因素对于马达输运效率的作用。

一种自驱动微纳米马达输运系统，自左向右包括初始腔室、通道、收集点和墙壁，初始腔室左侧和右侧均为墙壁，所有粒子均无法通过墙壁，墙壁与粒子之间具有碰撞作用，所述粒子包括溶液粒子A、燃料粒子B、产物粒子P和微纳米马达，初始腔室右侧墙壁上设有通道入口，宽度等于微纳米马达单球的直径。初始时刻时微纳米马达在初始腔室中做无规则运动，一旦微纳米马达运动到通道入口就将会被通道捕获，然后在这条软通道上进行自驱动运动，直至到达目的地之后被收集。通过这种方式能够将活性药物载体引导输运到指定的癌细胞区域。