趋化性在不同尺度生命活动中扮演重要作用，也是最基本的细胞生理反应之一。例如大肠杆菌能感知环境中的营养物质或者毒性物质的梯度，进而使自身趋向营养物质或远离毒性物质。精子可以追踪卵细胞释放的孕酮、心钠素等物质，进而游向卵细胞完成受精过程。受生物趋化作用的启发，研究人员期望合成具有趋化能力的胶体马达，能够自适应周围化学信号刺激实现自我导航和自我靶向，完成主动靶向递送、细胞手术、血栓快速清除等生物医学领域的应用。尽管已有研究报道从理论上预测了化学驱动的胶体马达可能会像中性粒细胞一样，通过化学信号强度的空间比较，通过自我定向实现真正的趋化，然而已有的实验报道由于胶体马达的自我定向能力较弱，只表现出假趋化或化学活性依赖的聚集现象。此外，要满足生物医学应用，胶体马达需拥有燃料的生物相容性、亚微米尺度、强的趋化能力等特点。同时，亚微米的尺寸也使胶体马达的运动姿态变化难以被实时观察到，限制了对其趋化机理的研究。因而，如何设计合成能满足未来生物医学应用需求、具有趋化能力的亚微米尺度胶体马达，仍然是胶体马达面向未来生物医学应用中亟待解决的难题。
针对这一难题，哈尔滨工业大学贺强团队构筑的烧瓶状胶体马达集生物相容性、亚微米尺度、强大的趋化能力等特点于一身，同时其拥有的大空腔结构，仿生流线型，无不彰显其拥有生物医学应用的巨大潜力。该马达内部的葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的级联反应能催化消耗葡萄糖驱动马达进行自驱动运动。不仅如此，该马达能在葡萄糖梯度溶液中趋向高浓度葡萄糖区域运动，其趋化能力随葡萄糖梯度的升高而增强。
图1. 烧瓶状胶体马达的制备与自驱动运动表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
对烧瓶状胶体马达的趋化行为进行进一步研究，发现其趋化行为与细菌等微生物类似，其能不断调整自身运动方向，使自身运动方向趋向高浓度葡萄糖区域。当烧瓶状胶体马达的运动方向与梯度方向不一致时，瓶腔中的酶催化反应会使瓶底和瓶口葡萄糖梯度产生差异，由此产生扭矩使自身发生旋转以保持自身运动方向与梯度方向一致。烧瓶状胶体马达的这种感知梯度、调整方向、趋向梯度的能力使之具有强大的趋化能力，为实现亚微米级胶体马达的生物医学应用提供了设计思路。
研究结果证明了亚微米大小的、流线型的、以葡萄糖为燃料的瓶状胶体马达沿着葡萄糖浓度梯度具有正向趋化性，类似于自然界中的趋化微生物。得益于其独特的圆底瓶状结构，这些亚微米大小的胶体马达的运动姿态的变化可以在光学显微镜下进行实验记录。直接运动学分析揭示了葡萄糖梯度诱导的动态定向和由光致转矩驱动的葡萄糖瓶状胶体电机的主动定向。瓶状胶体马达发生趋化运动的微观机制是酶级联反应产生的不同化学物质的非对称局部浓度梯度导致瓶状胶体马达产生自扩散净转矩。因此，自扩散的泳动力矩不断地引导它们向葡萄糖浓度梯度运动，从而实现正向趋化运动。随后的计算和理论模拟进一步验证了瓶状胶体马达实现趋化运动的微观机制。这些亚微米大小、流线型、以葡萄糖为燃料的瓶状胶体马达具有较强的趋化能力，不仅为现有的理论推测提供了直接的实验证据，而且由于其尺寸小、燃料生物相容性好、载药量大，为主动靶向载体的设计提供了新的策略。
研究成果相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为博士生周昶。
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