一种气泡驱动微纳马达及其制备方法和应用

本发明属于微纳马达的，更具体地，涉及一种气泡驱动微纳马达及其制备方法和应用。

背景技术：

1、微纳马达是一种将周围环境中的内、外场提供的能量转换为自身动能来表现出高效的运动能力，并能执行各种任务的一类微纳器件。由于其独特的自主运动能力和可以改性的微纳表面，微纳马达可以实现一系列的应用，如环境修复、药物输送等。

2、作为典型的微纳马达之一，化学驱动的微纳马达通常被设计成不对称的形态以产生气泡驱动力，即在非对称粒子周围构建一个高度不对称的场来实现气泡驱动。因此，越来越多的人致力于开发不对称的结构来制造微纳马达。

3、在制备不对称微纳马达的可选择材料中，聚多巴胺(pda)是一个有吸引力的选择。并且，研究人员已经证明pda可以作为一种改性成分来包裹其它材料的微纳马达。且pda涂层可以进一步作为"桥梁"，通过简单的方法在pda的表面加载其它功能部件来修饰微纳马达。但大多数报道的基于pda的微纳马达呈现球形或其它各向同性的形态，这限制了微纳马达周围不对称场的形成。

4、尽管通过现有技术已经开发了不同类型的微纳马达，但目前微纳马达的结构设计不够灵活，制备流程复杂，功能化单一，难以通过简单的方式集成功能部件来执行多种任务。因此，具有设计灵活性和多功能修饰潜力的不对称微纳马达的制备仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气泡驱动微纳马达及其制备方法。该微纳马达的主体为带有单一开口的中空形态，在微纳马达主体的内表面或外表面中的一者修饰有具备催化功能的贵金属纳米颗粒。由于微纳马达主体形态的不对称、中空设计，通过在其中一个表面进行贵金属纳米颗粒的定向修饰，使得贵金属纳米颗粒能够与环境中的底物反应产生气泡，在微米马达的周围形成一个不对称的场，进而实现微纳马达的可控运动。

2、进一步的，所述微纳马达尤其是通过非交联聚苯乙烯颗粒溶胀破坏微纳马达主体形态的对称性，进而借助非交联聚苯乙烯颗粒材料对界面的保护，将贵金属纳米颗粒选择性地组装在微纳马达主体的其中一个表面，克服了现有技术中制备过程复杂、不能调节可控驱动和功能化单一等问题。

3、为实现上述目的，在本发明的第一方面，提供了一种气泡驱动微纳马达，所述微纳马达包括主体材料和贵金属纳米颗粒，其中所述主体材料构成所述微纳马达的主体；所述微纳马达的主体呈带有单一开口的中空形态，具有内、外表面；其中，所述主体的内表面或外表面中的一者修饰有所述贵金属纳米颗粒。

4、优选地，所述带有单一开口的中空形态是非交联聚苯乙烯颗粒和所述主体材料形成壳-核颗粒结构后，通过对所述非交联聚苯乙烯颗粒进行溶胀和去除形成的；其中所述壳-核颗粒的核为聚苯乙烯颗粒，所述壳-核颗粒的壳体为主体材料。

5、优选地，所述主体的内表面修饰有所述贵金属纳米颗粒时，外表面修饰有与所述贵金属纳米颗粒电荷相同的惰性组分；所述惰性组分为二氧化硅。

6、优选地，所述贵金属纳米颗粒为铂、银或钯金属纳米颗粒，直径为18～24nm；优选，所述贵金属纳米颗粒为铂金属纳米颗粒。

7、优选地，所述主体材料为聚多巴胺、聚多巴或单宁酸铁。

8、优选地，所述壳-核颗粒的壳体厚度为400～500nm。

9、优选地，所述非交联聚苯乙烯颗粒直径为5～5.5μm。

10、在本发明的第二方面，提供了一种气泡驱动微纳马达的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

11、s11:将非交联聚苯乙烯颗粒与主体材料前体溶液混合，通过原位聚合得到对称的壳-核颗粒：将所述对称的壳-核颗粒加入到溶胀液中使所述非交联聚苯乙烯颗粒进行溶胀，制备不对称的二聚体；

12、s12:调整所述不对称的二聚体的表面电荷，使其表面带有正电荷；

13、s13:将s12中得到的表面带有正电荷的二聚体与所述贵金属纳米颗粒进行混合，调节混合溶液为酸性；充分混合后,加入有机溶剂去除所述非交联聚苯乙烯颗粒，得到外表面修饰贵金属纳米颗粒的微纳马达。

14、在本发明的第三方面，提供了另一种气泡驱动微纳马达的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

15、(1)将非交联聚苯乙烯颗粒与主体材料前体溶液混合，通过原位聚合得到对称的壳-核颗粒；将所述对称的壳-核颗粒加入到溶胀液中使所述非交联聚苯乙烯颗粒进行溶胀，制备不对称的二聚体；

16、(2)修饰所述不对称的二聚体的表面，使其外表面修饰有惰性组分；加入有机溶剂去除所述非交联聚苯乙烯颗粒，得到外表面修饰有惰性组分的中空微纳马达主体；

17、(3)将外表面修饰有惰性组分的中空微纳马达主体与所述贵金属纳米颗粒混合，调节混合溶液为酸性；充分混合后，到内表面修饰贵金属纳米颗粒的微纳马达。

18、在本发明的第四方面，提供了一种气泡驱动微纳马达，所述贵金属纳米颗粒为铂金属纳米颗粒时，所述微纳马达应用于有机污染物的去除。

19、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

20、本发明所制备的微纳马达由于其主体呈带有单一开口的中空形态，以及在其中一个表面定向修饰有具有催化功能的贵金属纳米颗粒，使得贵金属纳米颗粒能够与环境中的底物反应产生气泡，在微米马达的周围形成一个不对称的场，进而实现微纳马达的可控运动。例如，环境中的底物为过氧化氢时，贵金属纳米颗粒与过氧化氢催化反应产生小气泡，驱动微纳马达运动。当在所述微纳马达主体的内表面修饰贵金属纳米颗粒修饰，所述微纳马达的运动方向与孔开口的方向相反；当在所述微纳马达主体的外表面修饰贵金属纳米颗粒，所述微纳马达的运动方向与孔开口的方向相同。该微纳马达的设计具有高度灵活性，能够灵活调节微纳马达适应于不同领域中的应用。

21、本发明所制备的微纳马达具备具有多功能修饰作用。由于铂纳米颗粒具有过氧化物酶的活性，该微纳马达还对有机污染物表现出高效的去除效率，可应用到微量分析化学反应以及构建自主运动的降解污染物的环境修复体系中。

22、本发明所制备的微纳马达能够借助主体材料的可修饰性，非交联聚苯乙烯颗粒的界面保护，不仅在微纳马达主体的表面可以修饰有贵金属纳米颗粒，还可以在微纳马达主体的表面可以修饰有其他功能纳米颗粒，实现微纳马达的功能化拓展。例如，在微纳马达主体的其中一个表面存在有可与环境中的底物反应驱动马达运动的贵金属纳米颗粒，在另一个表面上，可以不修饰或者修饰不与底物反应驱动马达运动的功能性组分，以拓展微纳马达功能化修饰。

23、本发明微纳马达的制备方法是通过非交联聚苯乙烯颗粒溶胀破坏壳-核颗粒的对称性、获得不对称、可修饰的二聚体，进而利用非交联聚苯乙烯颗粒对界面的保护，将贵金属纳米颗粒选择性地组装在微纳马达主体的一个表面。该微纳马达的制备方法简单，操作性强，易于调节。

24、综上，本发明借助微纳马达主体的中空形态，主体材料的可修饰特性和贵金属纳米颗粒的定向修饰，使得该微纳马达的设计具有高度灵活性和多功能修饰的选择性，能够应用于化学传感、生物医疗、环境保护和药物传递领域等领域中。