电场引导纳米粒子实现靶向药物递送
一种利用强弱电场组合来改变纳米粒子速度和方向的新方法，有望提高药物递送和纯化系统的效率。
在家庭、实验室和工厂中，电场控制着各种技术，如Kindle显示器、医学诊断测试和用于纯化抗癌药物的设备。在电场中，任何带电物质——从单个原子到大颗粒——都会受到一种力的作用，可用于将其推向所需方向。
当电场推动流体中的带电粒子时，这一过程称为电泳。我们的研究团队正在研究如何利用电泳在多孔、海绵状材料中移动被称为纳米粒子的微小颗粒。许多新兴技术，包括用于DNA分析和医学诊断的技术，都使用这些多孔材料。
弄清楚如何控制这些微小带电粒子在这些环境中的运动，可以使现有技术更快、更高效。它还可以实现全新的智能功能。
最终，科学家们的目标是使这些粒子充当微小的纳米机器人。它们可以在我们体内或周围环境中执行复杂的任务。它们可以寻找肿瘤并递送治疗药物，或寻找土壤中有毒化学物质的来源并将其转化为无害化合物。
为了取得这些进展，我们需要了解带电纳米粒子在电场影响下如何穿过多孔、海绵状材料。在一项新研究中，由安妮·石和西亚马克·米尔芬德斯基领导的工程研究团队于2025年11月10日发表在《美国国家科学院院刊》上，旨在解决这一问题。
弱电场与强电场
将纳米粒子想象成一艘微型潜艇，在复杂、相互连接的液态迷宫中导航，同时经历随机的抖动运动。在观察纳米粒子穿过一种多孔材料时，我们发现了一个与所施加电场强度相关的惊人行为。
弱电场仅作为加速器，提高粒子速度并显著提高其找到任何腔体出口的机会，但不提供方向引导——它很快，但随机。
相比之下，强电场提供了必要的"GPS坐标"，迫使粒子在特定、可预测的方向上快速移动。
这一发现令人困惑但令人兴奋，因为它表明我们可以控制纳米粒子的运动。我们可以选择让它们在弱电场下快速随机移动，或在强电场下定向移动。
前者使它们能够高效搜索环境，而后者则非常适合递送"货物"。这种令人困惑的行为促使我们更仔细地研究弱电场对周围流体的作用。
此图表展示了粒子在弱或强电场中随时间穿过一种多孔材料的方式。最深的颜色表示粒子的起点，依次变浅的颜色表示粒子在更长时间后的位置。在弱电场中的粒子随机移动，而在强电场中的粒子则逐渐沿着电场确定的方向移动。
通过更仔细地研究这一现象，我们发现了这些行为的原因。弱电场导致静止液体在材料的微小腔体内以随机旋涡运动流动。这种随机流动增强了粒子的自然抖动，并将其推向腔壁。通过沿着墙壁移动，与在整个腔体空间中搜索相比，粒子找到随机逃生路线的概率大大增加。
然而，强电场为粒子提供了强大的定向推力。这种推力克服了粒子的自然抖动以及周围液体的随机流动。它确保粒子沿着电场的方向可预测地迁移。这一见解为移动、分类和分离粒子开辟了新的高效策略。
追踪纳米粒子
为了进行这项研究，我们将实验室观察与计算建模相结合。在实验上，我们使用先进的显微镜，仔细追踪单个纳米粒子如何在一种称为二氧化硅反蛋白石的完美结构化多孔材料内部移动。
二氧化硅反蛋白石的扫描电子显微照片，显示了工程多孔材料的横截面，其中500纳米直径的腔体设置在90纳米直径的小孔中。
然后，我们使用计算机模拟来建模基础物理。我们模拟了粒子的随机抖动运动、电驱动力和壁附近的流体流动。
通过将这种精确的可视化与理论建模相结合，我们解构了纳米粒子的整体行为。我们可以量化从抖动到电力推动的每个单独物理过程的影响。
移动粒子的设备
这项研究可能对需要精确微观传输的技术产生重大影响。在这些技术中，目标是快速、准确和差异化的粒子运动。例如药物递送，需要引导"纳米货物"到达特定组织目标，或工业分离，涉及纯化化学物质和过滤污染物。
我们的发现——利用弱电场单独控制粒子速度和利用强电场控制方向的能力——充当了一个双杠杆控制工具。
这种控制可能允许工程师设计应用弱电场或强电场的设备，以定制方式移动不同类型的粒子。最终，该工具可以改进更快、更高效的诊断工具和纯化系统。
未来展望
我们已经建立了对粒子搜索（使用速度）和迁移（使用方向）的独立控制。但我们仍然不知道这一现象的全部限制。
关键问题仍然存在：可以以这种方式控制的粒子的上限和下限尺寸是多少？这种方法能否可靠地应用于复杂、动态的生物环境？
从根本上说，我们需要研究弱电场下这些粒子速度显著提高的确切机制。回答这些问题对于解锁这种粒子控制方法的全部精度至关重要。
我们的工作是更大科学推动的一部分，旨在了解限制和边界如何影响纳米级物体的运动。随着技术的缩小，了解这些粒子如何与附近表面相互作用将有助于设计高效的微型设备。当穿过海绵状、多孔材料时，纳米粒子不断遇到表面和边界。
我们的研究和相关研究的共同目标是将微小粒子的控制从试错过程转变为可靠、可预测的科学。
丹尼尔·K·施瓦茨，化学与生物工程教授，科罗拉多大学博尔德分校
安库尔·古普塔，化学与生物工程助理教授，科罗拉多大学博尔德分校
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。
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