新型的自驱动微纳米马达输运系统、运输方法及模拟方法与流程

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，具体涉及新型的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danielaa.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。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了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，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。

一种新型的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。

进一步的，所述通道能够将溶液粒子a转化为燃料粒子b，所述微纳米马达为球形二聚物马达，包括半径相同的活性球c和非活性球n，中间由硬杆连接，活性球c只对燃料粒子b具有催化作用，非活性球n对a/b两种溶液粒子均没有催化作用，二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力通过l-j琼斯势计算；b粒子遇到活性球c后会发生反应：b+c→p+c，生成产物粒子p，这样就会在活性球c周围形成一个以活性球c为中心的p粒子的浓度场，而p粒子与非活性球n之间的相互作用势小于a/b两种溶液粒子与非活性球n之间的相互作用势，因此会对非活性球n产生一个沿着非活性球n指向活性球c的驱动力，推动二聚物马达进行运动；当p粒子远离二聚物马达之后又会转换回a或b粒子，p粒子转换回a粒子还是b粒子取决于p粒子转换时所处的位置。

一种新型的自驱动微纳米马达运输方法，利用运输系统进行运输，所述运输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，系统内设置有粒子，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，所述微纳米马达为二聚物马达，包括活性球c和非活性球n，中间由硬杆连接，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；所述运输方法的步骤如下：

步骤1：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；

步骤2：所述通道能够将溶液粒子a转化为燃料粒子b，燃料粒子b在活性球c的催化作用下生成粒子p；

步骤3：活性球c周围形成一个以活性球c为中心的p粒子的浓度场，p粒子与非活性球n的相互作用小于a/b两种溶液粒子与非活性球n的相互作用，因此会对非活性球n产生一个沿着非活性球n指向活性球c的驱动力，推动二聚物马达进行运动；

步骤4：二聚物马达在软通道上进行自驱动运动，直至到达目的地之后被收集；

步骤5：当p粒子远离二聚物马达之后又会转换回a或b粒子，p粒子转换回a粒子还是b粒子取决于p粒子转换时所处的位置。

一种新型的自驱动微纳米马达输运系统的模拟方法，包括：

第一步：构建输运系统中的物理模型；包括溶液粒子a、燃料粒子b、产物粒子p和二聚物马达；

第二步：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；

第三步：计算并更新下一个时间步长的溶液粒子的位置和速度，采用多粒子碰撞动力学方法(mpc)来对溶液粒子的运动过程进行模拟，得出下一步所有溶液粒子的位置数据；

第四步：计算此时二聚物马达的受力，通过verlet算法计算二聚物马达的当前位置和速度；

第五步：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。

进一步的，所述的第一步中所述的输运系统是一个三维的系统，但在z方向将二聚物马达限制在lz/2平面上，体积为v＝lx*ly*lz，将此系统空间分成许多大小为a³的相同的立方形格子，此时系统空间被离散化，将格子的长度a设为1，采用“点”状粒子模拟系统中的a、b、p三种溶液粒子；溶液粒子的数量为ns，质量为ms，二聚物马达的数量为nd，活性球c半径rc等于非活性球n半径rn；自左向右包括初始腔室、通道、收集点和墙壁；初始腔室左侧与右侧均为墙壁，所有粒子均无法通过，并和粒子之间具有碰撞作用，初始腔室左侧墙壁处于x＝0，右侧墙壁处于x＝30，通道入口开设在右侧墙壁上，宽度等于二聚物马达单球的直径。所述二聚物马达包括活性球c和非活性球n，中间由硬杆连接；b粒子遇到活性球c后会发生反应生成产物粒子p，p粒子与非活性n的相互作用小于a/b两种溶液粒子与非活性球n的相互作用，因此会对非活性球n产生一个沿着非活性球n指向活性球c的驱动力，推动二聚物马达进行运动；为了提高计算效率在模拟过程中对系统采用周期性边界条件处理，系统y和z方向采用周期性边界条件。

进一步的，所述的第二步的具体方法如下：

初始时，设定初始条件，所述系统温度：kbt＝0.2，每个格子中放入9～10个溶液粒子，溶液粒子质量：ms＝1.0，活性球c与非活性球n的半径rc＝rn＝1.0～2.0，分子动力学时间：tmd＝0.01，mpc时间：tmpc＝0.5，不同粒子之间作用势参数为：εna＝εnb＝5，εca＝εcb＝0.1，εpc＝εpn＝0.1，εnc＝5.0，a、b溶液粒子之间反应速率k2＝0.000004～0.000009；

初始时刻在初始腔室中依次随机放置数量为nd，半径为rc＝rn的二聚物马达，若与其他二聚物马达有重叠则重新放；在整个系统内部依次随机放置ns个质量为ms的溶液粒子a，若放到墙壁里或者二聚物马达里重新放，每个粒子i具有不同的连续位矢和连续速度记录所有粒子的位置、速度、受力等数据。

进一步的，所述的第三步的具体方法如下：在离散的时间间隔δt内，位置和速度的改变是由交互的两步完成的：流动→碰撞→流动.......；溶液粒子在获得初始位置和初始速度后，在第一个δt时间内，溶液粒子发生碰撞和流动。在碰撞阶段，mpc算法中把位于相同格子的所有溶液粒子发生碰撞，并且在碰撞后，粒子的速度满足随机旋转规则(srd)；在流动过程，粒子满足经典的牛顿运动方程；每个位矢的改变量由速度决定，在时间t+δt时，粒子的新位矢为：

进一步的，所述的第四步的具体方法如下：

二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力(l-j琼斯势)如下所示：

其中：α为二聚物马达，s为其他粒子，σα为α粒子的截断半径。εαs为α粒子对其他粒子s的作用势距离。

二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力公式(1)计算，利用当前数据计算每个二聚物马达的所有受力之和。

对二聚物马达选择用verlet算法来计算其速度和位矢；verlet算法是md算法中一种数值积分方法，具体步骤如下：

系统中任选一个二聚物马达i，设在t时刻的位矢：速度为：受合外力为：

(1)：由公式得到t+δt时刻的位矢

(2)：根据新的位矢计算t+δt时刻的受力

(3)：由公式得到t+δt时刻的速度

(4)：回到(1)，由t+δt的位矢和速度，在计算t+2δt的位矢和速度。

进一步的，所述的第五步的具体方法如下：

二聚物马达在初始腔室中做无规则运动，一旦二聚物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，输出每一个时间步长的二聚物马达的数据，然后计算下一个时间步长二聚物马达的运动过程。如果有二聚物马达运动到设定的收集点，就认为该二聚物马达已经到达，记录此时的二聚物马达编号和时间步长，直到达到系统设定的时间步长。

进一步的，根据初始参数的设定来进一步处理数据，实现模拟过程的演化，得到模拟出来的二聚物马达的位置信息；通过改变二聚物马达的面积分数(只改变二聚物马达数量nd或者半径rc，rn)来计算并分析二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间(即首个二聚物马达到达收集点的时间)；并利用origin软件绘图表示不同条件下二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间；根据模拟获得的二聚物马达和溶液粒子的位置、速度等数据通过matlab以及vmd的绘图功能将系统的演化过程达到可视化的效果，直观的观察到二聚物马达的运动过程。

本发明构建了一条“软”的通道，而不需要在目标环境内塑造一条物质构成的硬通道，对马达的运动进行一种软控制。与现有技术相比，本设计具有如下优点：

1、本设计大大降低了操作的复杂性，对原环境影响小；

2、本设计方法简化了活性粒子的输运通道设计，提高了输运效率；

3、本发明设计在结构上更加环保。

附图说明

图1系统结构图；

图2球形二聚物马达的结构图；

图3初始状态系统模拟图；

图4中间状态系统模拟图；

图5到达状态系统模拟图；

图6马达首次巡航时间随马达面积分数改变(马达半径均为1，只改变马达数量n)的关系图；

图7马达首次巡航时间和马达到达收集点的百分比随马达面积分数改变(马达数量均为8个，只改变马达半径r)的关系图；

其中：1-初始腔室；2-通道入口；3-通道；4-收集点；5-墙壁。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明。

一种新型的自驱动微纳米马达输运系统，如图1所示，自左向右包括初始腔室1、通道3、收集点4和墙壁5，初始腔室1左侧和右侧均为墙壁5，所有粒子均无法通过墙壁5，墙壁5与粒子之间具有碰撞作用，系统y和z方向采用周期性边界条件。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，溶液粒子a随机分布在整个装置内部。如图2所示，所述微纳米马达为球形二聚物马达，由半径相同的活性球c和非活性球n组成，中间由硬杆连接，活性球c只对燃料粒子b具有催化作用，非活性球n对a/b两种溶液粒子均没有催化作用，二聚物马达在初始腔室1中做无规则运动，初始腔室1右侧墙壁5上设有通道入口2，宽度等于二聚物马达单球的直径。本发明设计的是一种能够输运二聚物马达的通道，例如一条光通道，通道3中的溶液粒子a能被光催化反应转化为燃料粒子b，而离开了光通道之后又会在一段时间后，只要周围没有二聚物马达，那么就会重新恢复为溶液粒子a。因为通道3能够将溶液粒子a转化为燃料粒子b，因此一段时间之后通道3中将会充满燃料粒子b。当b粒子遇到活性球c后会发生反应：b+c→p+c，活性球c将燃料粒子b催化反应生成一种产物粒子p，这样就会在活性球c周围形成一个以活性球c为中心的p粒子的浓度场，p粒子与非活性球n的相互作用小于a/b两种溶液粒子与非活性球n的相互作用，因此会对非活性球n产生一个沿着非活性球n指向活性球c的驱动力，推动二聚物马达进行运动，当p粒子远离二聚物马达之后又会转换回a或b粒子，p粒子转换回a粒子还是b粒子取决于p粒子转换时所处的位置。一旦二聚物马达运动到通道入口2就将会被通道3捕获，然后在这条软通道上进行自驱动运动，直至到达收集点4被收集。利用自驱动微纳米马达运输系统能够完成微纳米马达的运输，通过这种方式能够将活性药物载体引导输运到癌细胞区域。

一种新型的自驱动微纳米马达运输方法，利用所述运输系统进行运输，所述运输方法的步骤如下：

步骤1：微纳米马达在初始腔室1中做无规则运动，一旦微纳米马达运动到通道入口2就将会被通道3捕获；

步骤2：所述通道3能够将溶液粒子a转化为燃料粒子b，燃料粒子b在活性球c的催化作用下生成粒子p；

步骤3：活性球c周围形成一个以活性球c为中心的p粒子的浓度场，p粒子与非活性球n的相互作用小于a/b两种溶液粒子与非活性球n的相互作用，因此会对非活性球n产生一个沿着非活性球n指向活性球c的驱动力，推动二聚物马达进行运动；

步骤4：二聚物马达在软通道3上进行自驱动运动，直至到达目的地之后被收集；

步骤5：当p粒子远离二聚物马达之后又会转换回a或b粒子，p粒子转换回a粒子还是b粒子取决于p粒子转换时所处的位置。

本发明采取以下技术方案：

第一步：构建通道系统中的物理模型；

本发明设计的是一个三维的输运系统，但在z方向将二聚物马达限制在l2/2平面上，在体积为v＝lx*ly*lz的系统中，将此系统空间分成许多大小为a³的相同的立方形格子，此时系统空间被离散化，将格子的长度α设为1。自左向右包括初始腔室1、通道3、收集点4和墙壁5，初始腔室1左侧和右侧均为墙壁5，所有粒子均无法通过墙壁5，墙壁5与粒子之间具有碰撞作用，通道入口2开设在右侧墙壁5上。一旦二聚物马达运动到通道入口2就将会被通道3捕获，然后在这条软通道上进行自驱动运动，直至到达收集点4被收集。系统y和z方向采用周期性边界条件。采用“点”状粒子模拟系统中的a、b、p三种溶液粒子；溶液粒子的数量为ns，质量为ms，二聚物马达的数量为nd，活性球c半径rc等于非活性球n半径rn。

为了更加简洁方便的计算数据，对参数进行无量纲化，如图2所示是系统的结构图，系统的尺寸是lx＝100，ly＝40，lz＝20，初始腔室1左侧墙壁处于x＝0，右侧墙壁处于x＝30，通道入口2开设在右侧墙壁5上，两条通道的y轴中心处在1/4*ly和3/4*ly，宽度等于二聚物马达单球的直径。

第二步：确定初始状态参数(如温度、质量、尺寸、所有粒子的初始位置等)；

初始时，设定初始条件(如温度、质量、尺寸、通道的位置等参数)，系统的参数进行无量纲化，系统温度：kbt＝0.2，每个格子中放入9～10个溶液粒子，溶液粒子质量：ms＝1.0，活性球c与非活性球n的半径rc＝rn＝2.0，分子动力学时间：tmd＝0.01，mpc时间：tmpc＝0.5，不同粒子之间作用势参数为：εna＝εnb＝5，εca＝εcb＝0.1，εpc＝εpn＝0.1，εnc＝5.0，a、b溶液粒子之间反应速率k2＝0.000004～0.000009。

初始时刻在初始腔室1随机放入数量nd为5，半径分别为rc，rn的球形二聚物马达，若与其他二聚物马达有重叠则重新放。然后在整个系统中随机放入ns＝100*40*20*10个质量为ms的溶液粒子a，若放到墙壁5里或者二聚物马达里重新放。每个粒子i具有不同的连续位矢和连续速度记录所有粒子的位置、速度、受力等数据。

第三步：计算并更新下一个时间步长的溶液粒子的位置和速度；

在系统中，采用多粒子碰撞动力学方法(mpc)来对溶液粒子的运动过程进行模拟，得出下一步所有溶液粒子的位置数据；系统中两种溶液粒子之间的化学反应使用rmpc方法，溶液粒子与球形二聚物马达之间的相互作是l-j势。在mpc方法中，在离散的时间间隔δt内，位置和速度的改变是由交互的两步完成的：流动→碰撞→流动.......。溶液粒子在获得初始位置和初始速度后，在第一个δt时间内，溶液粒子发生碰撞和流动。在碰撞阶段，mpc算法中把位于相同格子的所有溶液粒子发生碰撞，并且在碰撞后，溶液粒子的速度满足随机旋转规则(srd)。在流动过程，溶液粒子满足经典的牛顿运动方程。每个位矢的改变量由速度决定，在时间t+δt时，溶液粒子的新位矢为：

第四步：计算此时球形二聚物马达的受力，通过verlet算法对球形二聚物马达的当前位置和速度进行修正；

二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力(l-j琼斯势)如下所示：

其中：α为二聚物马达，s为其他粒子，σα为α粒子的截断半径。εαs为α粒子对其他粒子s的作用势距离。

二聚物马达与其他粒子之间的相互作用力公式(1)计算，利用当前数据计算每个二聚物马达的所有受力之和。

对球形二聚物马达选择用verlet算法来计算其速度和位矢。verlet算法是md算法中一种数值积分方法，具体步骤如下：

系统中任选一球形二聚物马达i，设在t时刻的位矢：速度为：受合外力为：

(1)：由公式得到t+δt时刻的位矢

(2)：根据新的位矢计算t+δt时刻的受力

(3)：由公式得到t+δt时刻的速度

(4)：回到(1)，由t+δt的位矢和速度，在计算t+2δt的位矢和速度。

第五步：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；

二聚物马达在初始腔室1中做无规则运动，一旦二聚物马达运动到通道入口2就将会被通道3捕获，然后在这条软通道上进行自驱动运动，输出每一个时间步长的二聚物马达的数据，然后计算下一个时间步长二聚物马达的运动过程。如果有二聚物马达运动到设定的收集点4，就认为该二聚物马达已经到达，记录此时的二聚物马达编号和时间步长，直到达到系统设定的时间步长。

数据分析

利用fortran软件根据初始参数的设定来进一步处理数据，实现模拟过程的演化，得到模拟出来的二聚物马达的位置信息。通过改变二聚物马达的面积分数(只改变二聚物马达数量nd或者半径rc，rn)来计算并分析二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间。

利用fortran软件进一步计算处理数据，并利用origin软件绘图表示不同条件下二聚物马达到达收集点的百分比和二聚物马达的首次巡航时间。

根据模拟获得的二聚物马达和溶液粒子的位置、速度等数据通过matlab以及vmd的绘图功能将系统的演化过程达到可视化的效果，直观的观察到二聚物马达的运动过程。

图3～图5是系统的初始、中间、收集过程，即为二聚物马达的运动过程。

使用fortran软件进一步计算数据，图6可以看出二聚物马达数量引起的面积分数改变时，二聚物马达的首次巡航时间随着面积分数的增大而减小。图7可以看出二聚物马达半径引起的面积分数改变时，二聚物马达到达收集点的百分比随着面积分数的增大而增大，二聚物马达的首次巡航时间随着面积分数的增大而减小。

通过数据处理、理论分析、绘图等可以看出不同因素对二聚物马达输运过程的影响。增大二聚物马达半径会令二聚物马达的首次巡航时间减小，尤其当二聚物马达半径较小时减小幅度更为明显。二聚物马达到达收集点的百分比会随着二聚物马达半径的增大而增大。对于较大半径的二聚物马达输运过程明显快于较小半径的二聚物马达，且收集率更高，因此，本系统可以有效的进行活性纳米物质的定向输运、投递。

以上所述为本发明技术方案，凡熟悉相关专业的技术人员按照说明书附图以及上诉所述步骤均可以顺畅的实施本发明；但是，凡是熟悉本传的技术人员在不脱离本发明技术方案的方案内，利用上述方案而做出些许更改、修饰和演变等同变化，均为本发明的等效实施案例。同时，凡是依据本发明的技术实施流程包括技术原理在内在实验过程中对本发明进行等同变化的更改、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围。

上述实例仅为本发明的优选实例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。