一种离子耐受性微纳米马达及其制备方法与应用

本发明属于微纳米马达，尤其涉及一种离子耐受性微纳米马达及其制备方法与应用。

背景技术：

1、微纳米马达是一种能够将周围环境中的化学或外部能量转化为机械运动微纳米粒。微纳米马达的自主运动特性使其在生物医学领域受到了广泛关注。与传统的处于热力学平衡态、只进行布朗运动的微纳米载体不同，微纳米马达精准的货物运输与有效的穿透能力使其成为下一代治疗性微纳米载体的优秀候选材料。

2、目前，基于自电泳驱动的微纳米马达因其运动速度快，方向可控，以及易于功能化(如可逆的趋光性与可编程的驱化性)而得到了大量研究。然而，复杂的生物环境包括血浆蛋白的生物污染、高粘度和高离子强度都给微纳米马达的自主运动带来了问题，使得微纳米马达的生物应用面临巨大挑战。其中高离子强度显著抑制自电泳驱动微纳米马达运动，即离子耐受性差。这是因为在含有离子的溶液中，带有相反电荷的离子会吸附到微纳米马达表面，导致扩散层净电荷降低，压缩了微纳米表面的双电层，抑制了微纳米马达的运动。许多研究人员也一直致力于提高微纳米马达的离子耐受性。在此期间，唐晋尧等人通过在微纳米马达表面引入一层具有高导电性能的聚合物来提高微纳米马达的的表面电导率，从而使得微纳米马达的离子耐受性提高了100倍以上。但是在微纳米马达表面原位引入聚合物过程复杂，而且聚合过程加入的引发剂有较高的毒性，实际生物应用中残留引发剂会对生物体造成损伤。除了引入聚电解质涂层外，设计特殊的微纳米马达结构也是可以提高马达的离子耐受性。metin sitti等人发现多孔结构能显著提高微纳米马达的离子耐受性，该马达能实现在高离子强度(高达5m的氯化钠)的盐溶液和高粘度的完全培养基中运动。但是多孔微纳米马达的制备方法比较特殊，制备周期比较长，需要经历多次高温煅烧。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种离子耐受性微纳米马达及其制备方法与应用。本发明提出一种简单而通用的策略来提高自电泳微纳米马达的离子耐受性，通过静电吸附法在tio2微纳米马达表面修饰生物相容的两性离子氨基酸来增强离子耐受性，经氨基酸修饰的tio2微纳米马达，能实现在高离子强度的溶液中运动。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种微纳米马达，包括tio2微纳米马达和氨基酸，所述氨基酸通过氢键静电吸附于所述tio2微纳米马达的表面。

3、本发明以tio2微纳米马达作为模型，通过静电吸附法在tio2微纳米马达表面修饰具有生物相容的两性离子氨基酸，以增强微纳米马达的离子耐受性。经氨基酸修饰的tio2微纳米马达，其离子耐受性可提高200倍以上，能实现在高离子强度的溶液中运动。

4、具体地，本发明的微纳米马达是由tio2与氨基酸构成，tio2-氨基酸在光照条件下催化水分解，该过程中形成的氢离子浓度梯度会推动马达朝光照方向运动，而氨基酸的修饰使得马达的表面电导率提高，从而提高了离子耐受性，使得光诱导的自电泳tio2-氨基酸微纳米马达实现了在高离子环境中运动。

5、优选的，所述氨基酸选自精氨酸(arg)、甘氨酸(gly)、谷氨酸(glu)、丝氨酸(ser)、苯丙氨酸(phe)、丙氨酸(ala)、天冬酰胺(asn)、异亮氨酸(ile)、亮氨酸(leu)、赖氨酸(lys)、甲硫氨酸(met)、脯氨酸(pro)、丝氨酸(ser)、苏氨酸(thr)、色氨酸(trp)与缬氨酸(val)中的至少一种。

6、优选的，所述精氨酸为l-精氨酸或d-精氨酸。

7、优选的，所述微纳米马达的粒径为500-2000μm。

8、优选的，在所述微纳米马达中，所述氨基酸的质量占比为1-2％。

9、本发明的第二方面提供了上述微纳米马达的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)提供/制备tio2微纳米马达；

11、(2)将氨基酸溶液与所述tio2微纳米马达的溶液进行混合，得混合溶液；然后对其进行离心，收集产物；经洗涤、干燥，得所述微纳米马达。

12、优选的，所述混合溶液的ph值为3.2-10.7，混合溶液的ph值由氨基酸的解离常数以及tio2的电位共同决定，通过调整反应体系的ph值，使得tio2与氨基酸上可解离的基团带上相反电荷，从而实现氨基酸在tio2表面的静电吸附。

13、优选的，调节所述氨基酸溶液的ph值采用盐酸、硫酸或硝酸。

14、优选的，所述混合溶液中，氨基酸与tio2微纳米马达的质量比为(1-3)：1。

15、优选的，所述混合溶液的溶剂为pbs缓冲液或水。

16、优选的，步骤(2)中，所述混合为以磁力搅拌24-48h。

17、优选的，步骤(2)中，所述离心为以5000-7000rpm转速离心3-8min。

18、优选的，步骤(2)中，所述洗涤为采用去离子洗涤2-4次。

19、优选的，步骤(2)中，所述干燥为在60-85℃温度下干燥12-24h。

20、优选的，步骤(1)中，所述tio2微纳米马达采用溶胶凝胶法制备，包括以下步骤：

21、将盐酸盐溶液和钛前驱体加入溶剂中，进行混合、静置；然后离心，收集白色沉淀，经洗涤、干燥，得所述tio2微纳米马达。

22、优选的，所述盐酸盐溶液选自氯化钠溶液或氯化钾溶液；所述盐酸盐溶液的浓度为0.05-0.15mol/l。

23、优选的，所述钛前驱体选自钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛中的至少一种。

24、优选的，所述溶剂选自乙醇、丙酮、乙二醇、甲醇中的至少一种。

25、优选的，所述盐酸盐溶液、钛前驱体和溶剂的体积比为(0.4-0.6)：(1.5-2.0)：100。

26、优选的，所述混合为以磁力搅拌18-60min。

27、优选的，所述静置的时间为24-48h。

28、优选的，所述离心为以5000-7000rpm转速离心3-8min。

29、优选的，所述洗涤为采用去离子洗涤3-5次。

30、优选的，所述干燥为在60-85℃温度下干燥12-24h。

31、本发明的第三方面提供了上述微纳米马达在生物领域的应用。

32、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

33、(1)本发明通过静电吸附法在tio2微纳米马达表面修饰具有生物相容的两性离子氨基酸，经氨基酸修饰的tio2微纳米马达，其离子耐受性可提高200倍以上，实现其在高离子强度的溶液中运动。

34、(2)传统的自电泳微纳米马达在离子溶液中的运动会受到抑制。以光驱自电泳微纳米马达为例，离子的存在会使微纳米马达表面的德拜层坍塌(从数百纳米减少到几纳米)，因此在光照微纳米马达周围的离子梯度也会坍塌，这会使微纳米马达丧失运动动力。因此，通常情况下，德拜层的坍塌会使自电泳马达丧失动力，无法执行相应的任务。本发明以光驱自电泳马达tio2为模型，通过表面修饰氨基酸大大提高了自电泳马达的离子耐受性，使其能在pbs与培养基这种高离子环境中运动。

35、(3)生物安全性是生物应用的基础，很多微纳米马达材料本身无毒，但是它们需要额外的燃料提供驱动力，燃料本身具有一定毒性，此外，在实际的生物环境中能提供的燃料浓度很低，并不能为微纳米马达提供强大的动力，甚至有些燃料并不存在，大大限制了微纳米马达的应用。本发明的离子耐受性体系中tio2与氨基酸都是生物相容性高的材料，该微纳米马达体系是通过光源驱动(光催化分解水)，不需要提供额外燃料。

36、(4)本发明创造性地采用小分子氨基酸修饰，以改善自电泳微纳米马达的离子耐受性，其制备方法安全简便易行，便于操作，可实现大规模生产。