基于戊二醛偶聯(lián)技術(shù)制備脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及其運(yùn)動(dòng)性能

李守麗，楊成林，袁 月，官建國，羅 明

(武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程國際化示范學(xué)院； 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

化學(xué)驅(qū)動(dòng)型微納米馬達(dá)是一種能夠?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)人工智能器件[1]。它通過催化劑或活性金屬與燃料之間在界面處發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來推動(dòng)。化學(xué)驅(qū)動(dòng)型微納米馬達(dá)在環(huán)境修復(fù)[2-6]、貨物運(yùn)輸[7-10]、微觀手術(shù)[11-12]和靶向給藥[13]等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

化學(xué)驅(qū)動(dòng)型微納米馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中往往受到燃料的固有毒性或其在生物體內(nèi)的燃料含量的限制[14]。最近，由于酶具備生物相容性和多功能性以及其催化底物天然存在于人體環(huán)境中，因此吸引著更多研究者研究酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。脲酶自然存在于人體中，并且能夠分解尿素產(chǎn)生氨氣和二氧化碳[15]。人體環(huán)境中尿素的濃度為5～10 mmol/L[16]，因此脲酶驅(qū)動(dòng)微納米馬達(dá)有望實(shí)際應(yīng)用到人體生物醫(yī)藥領(lǐng)域。人體生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用需要對馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向控制，主要方法有磁控、光控等，其中以磁控最為精確并且簡單[17]。因此開發(fā)具備生物相容性，能夠在生物介質(zhì)的燃料濃度下運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)方向精確可控的微納米馬達(dá)有望實(shí)現(xiàn)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

鑒于此，在本文中采用磁控濺射方法在磁性微球的半球上濺射一層Au制備得到Au-磁性微球(MMP)“雙面神”粒子；之后在Au側(cè)依次偶聯(lián)半胱胺、戊二醛(GA)和脲酶成功制備出脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，并表征了制備的酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶的活性及含量；研究了尿素濃度對酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速率的影響，以及外加磁場對酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方向的精確控制。具備自主運(yùn)動(dòng)并且運(yùn)動(dòng)方向精確可控的生物相容性的脲酶驅(qū)動(dòng)微米馬達(dá)有望應(yīng)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑： 磁性微球(MMP，2 μm，質(zhì)量濃度為20 g/L，蘇州納微科技有限公司)； 半胱胺(NH2CH2CH2SH，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95%、戊二醛溶液(OHC(CH2)3CHO，體積分?jǐn)?shù)為25%)、尿素(CO(NH2)2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.0%～100.5%)、磷酸二氫鈉水合物(NaH2PO4·H2O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.0%)、磷酸氫鈉(Na2HPO4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%)、脲酶(IX型，粉末，50 000～100 000 U/g)、脲酶活性檢測試劑盒(均購于西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司)； BCA蛋白定量分析試劑盒(賽默飛世爾科技(中國)有限公司)； 無水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.2%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水由美國Milli-Q超純水系統(tǒng)提供。

儀器：DMI3000倒置光學(xué)顯微鏡(德國徠卡有限公司)；JCP500高真空多靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)(北京泰科諾有限公司)；Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡(SEM，日立集團(tuán))；X射線顯微分析系統(tǒng)、X-Max 50型電制冷能譜儀(EDS，英國牛津儀器公司);TS-PL02等離子表面處理機(jī)(深圳東信高科自動(dòng)化設(shè)備有限公司)；HHS型數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)，PB-10 pH計(jì)(德國賽多利斯集團(tuán))。

1.2 Au-MMP“雙面神”粒子的制備

圖1為Au-MMP“雙面神”粒子的磁控濺射制備過程示意圖，利用磁控濺射技術(shù)制備[18]，具體過程如下：0.05 mL的質(zhì)量濃度為5 g/L的MMP的乙醇懸浮液滴到用等離子清洗儀處理的干凈載玻片(25 mm×25 mm)上，在環(huán)境溫度下干燥10 min以形成單層MMP。然后，利用磁控濺射系統(tǒng)，電流為0.8 A的條件下，在MMP的表面上不對稱地濺射Au層。最后，制備得到的載玻片上Au-MMP“雙面神”粒子(10片)通過超聲處理和磁分離收集，用超純水洗滌數(shù)次后分散在1 mL超純水中以供進(jìn)一步使用。

1.3 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制備

圖2為脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制備過程示意圖，是利用GA的醛基和脲酶的氨基形成酰胺鍵而得到[18-19]，具體過程如下：取2 mg的Au-MMP“雙面神”粒子，用乙醇洗滌3遍，分散于0.5 mL乙醇溶液中，再加入0.5 mL的濃度為20 mmol/L半胱胺乙醇溶液，混合均勻在25 ℃條件下振蕩反應(yīng)過夜；將得到的氨基化的Au-MMP“雙面神”粒子通過磁分離收集、無水乙醇洗滌數(shù)次后分散在1 mL無水乙醇中，以供進(jìn)一步使用。利用PB(濃度為10 mmol/L，pH=6.5)洗滌2次上述氨基化的Au-MMP“雙面神”粒子取1 mg，分散在0.9 mL PB(濃度為10 mmol/L，pH=6.5)緩沖溶液中，立刻加入100 μL GA水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)，將上述混合溶液室溫振蕩反應(yīng)5 h。將得到的醛基化的Au-MMP“雙面神”粒子通過磁分離收集，并用PB(濃度為10 mmol/L，pH=6.5)緩沖溶液洗滌2次后，加入0.2 mL的質(zhì)量濃度為15 g/L的脲酶(分散在PB(濃度為10 mmol/L，pH=6.5)緩沖溶液)，將上述混合溶液室溫振蕩反應(yīng)過夜，將得到的脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過磁分離收集及超純水洗滌數(shù)次，后分散在1 mL超純水中，并4 ℃保存，以供進(jìn)一步使用。

圖1 Au-MMP“雙面神”粒子的磁控濺射制備過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of preparation of Janus magnetic microspheres by using a magnetron sputtering technology

圖2 脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制備過程示意圖Fig.2 Schematic illustration of preparation of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus motor

1.4 基于氪蛋白質(zhì)染色對馬達(dá)的表征

取100 μg脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與稀釋10倍后的氪蛋白質(zhì)染色溶液混合，混合震蕩室溫反應(yīng)30 min后。之后將染色后的酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過磁分離收集及超純水洗滌數(shù)次后分散在0.1 mL超純水中使用熒光顯微鏡觀察。氪蛋白的激發(fā)光的波長是(520±20)nm，檢測波長是(580±20) nm。整個(gè)染色過程是在避光條件下進(jìn)行的。

1.5 馬達(dá)脲酶活性的測定

酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的脲酶活性通過試劑盒進(jìn)行評估，該試劑盒通過Berthelots的方法測定生成的銨根離子的濃度，從而得到脲酶的米氏常數(shù)。測得酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的濃度為5 mg/L。

1.6 馬達(dá)中脲酶含量的測定

脲酶濃度由商用BCA蛋白試劑盒提供的方案測定得到。該試劑盒能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)的量與肽鍵還原的銅的量相關(guān)聯(lián)，測出脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶的量為100 mg/L。

1.7 馬達(dá)的表征及運(yùn)動(dòng)性能測試

使用SEM觀察單層MMP和Au-MMP粒子的微觀形貌(加速電壓10 kV、工作距離8 mm)，并通過能譜儀對其元素分布分析觀察其結(jié)構(gòu)。利用倒置熒光顯微鏡觀察并記錄馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au-MMP粒子的表征

圖3為粒子的SEM圖像，其中圖3a為單層MMP的SEM圖像，圖3b為Au-MMP粒子的SEM圖像。

從圖3a中可直觀地觀察到，MMP的單層結(jié)構(gòu)中粒子互相緊湊地挨著，證明單層MMP的鋪展是成功的，這為“雙面神”粒子的制備提供了前提。由圖3b可以看出，MMP的一個(gè)半球較亮并且粗糙的是濺射的Au層，另一半球光滑并且較暗的是MMP的表面，表明成功制備出了Au-MMP。

接下來，對得到的Au-MMP的C、Fe、Au 3種元素進(jìn)行EDS面掃元素分析，結(jié)果見圖4。

從圖中可以看出，C和Fe 2種元素較為均勻地分布于MMP上，而Au元素不對稱分布在MMP的半球上，由此也進(jìn)一步證明，Au-MMP粒子的制備是成功的。

a 單層磁性微球b Au-MMP粒子圖3 粒子的SEM圖像Fig.3 SEM images of monolayer of MMPs and Janus Au-MMPs

圖4 Au-MMP粒子的EDS面掃元素分析圖像Fig.4 EDX elemental mapping analyses of Janus Au-MMP

2.2 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的表征

為了直接證明脲酶不對稱連接到脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上，利用文獻(xiàn)報(bào)告過的熒光染色[20]來加以證明，結(jié)果如圖5所示。

脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用氪蛋白染色劑染色后，在倒置熒光顯微鏡下觀察結(jié)果。從圖5a中可以看出，在明場下，馬達(dá)呈現(xiàn)黑色，觀察不到雙面神結(jié)構(gòu)； 從圖5b中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)到熒光場下后，在馬達(dá)的半球上觀察紅色熒光出現(xiàn)，這表明脲酶偶聯(lián)成功，并且不對稱偶聯(lián)到馬達(dá)的半球上。這說明脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)制備成功。

2.3 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)脲酶活性的表征

圖6為脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶活性表征圖，其中圖6a為催化速率與尿素濃度的關(guān)系圖；圖6b為其催化速率和尿素濃度的雙倒數(shù)圖。

根據(jù)米氏方程，酶反應(yīng)速率可由V=Vmax[S]/(Km+[S])計(jì)算得出(Km是米氏常數(shù)，[S]是尿素底物濃度，Vmax是最大反應(yīng)速率)[18]。從上述方程中可以看出，在低尿素濃度情況下，脲酶的催化速率隨著尿素濃度的增加呈線性增加；當(dāng)尿素濃度達(dá)到一定數(shù)值，反應(yīng)速率達(dá)飽和。利用脲酶活性檢測試劑盒檢測在不同尿素濃度條件下脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的反應(yīng)速率，從而確定偶聯(lián)到馬達(dá)上的脲酶活性，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論支撐。

從圖6a中可以看出，反應(yīng)速率與尿素濃度的關(guān)系很好地契合了米氏方程，說明馬達(dá)在隨著尿素濃度的增加，反應(yīng)速率也隨之增加，尿素濃度為10 mmol/L時(shí), 反應(yīng)速率趨向于飽和，對后續(xù)運(yùn)動(dòng)有指導(dǎo)意義。而從圖6b中，通過米氏方程的雙倒數(shù)法測出米氏常數(shù)為2.61 mmol/L，在脲酶的正常值2～5 mmol/L范圍內(nèi)。綜上所述，制備的脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)具備活性，并且隨著尿素濃度的增加，脲酶的催化速率隨之增加，并在一定數(shù)值下達(dá)到飽和。

a 明場b 熒光場圖5 氪蛋白染色后脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的顯微鏡圖像Fig.5 Microscope images of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus micromotors stained by Krypton protein staining dye

a 催化速率與尿素濃度的關(guān)系圖b 催化速率與尿素濃度的雙倒數(shù)關(guān)系圖圖6 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶活性表征圖Fig.6 Urease activity characterization of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus motors

2.4 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶含量的表征

圖7所示為反應(yīng)溶液的吸收值與標(biāo)準(zhǔn)脲酶濃度的線性關(guān)系。

酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上酶的數(shù)量決定活性位點(diǎn)的數(shù)量，從而影響酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速率，因此利用BCA蛋白質(zhì)定量檢測試劑盒可測出脲酶含量。首先用脲酶的標(biāo)準(zhǔn)樣品做標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到擬合方程； 再對一定量制備的脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行測試，根據(jù)擬合方程計(jì)算出脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶含量，結(jié)果如圖7和表1所示。從圖中可以得出，擬合方程為y=0.000 784x+0.000 512(R2=0.99)。

圖7 反應(yīng)溶液的吸收值與脲酶濃度的線性關(guān)系圖Fig.7 Linear relationship between absorbance of reaction solution and concentration of urease molecules

表1 脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上脲酶含量

從表1中可以看出，根據(jù)擬合方程進(jìn)行計(jì)算脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的脲酶含量得出每個(gè)脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的脲酶含量為(1.87±0.12)×10-11μmol/L。

2.5 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)性能

脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的脲酶可分解尿素產(chǎn)生氨氣和二氧化碳，由于其不對稱分布，催化產(chǎn)物在球體周圍形成濃度梯度，在擴(kuò)散過程中，產(chǎn)生自擴(kuò)散泳機(jī)制驅(qū)動(dòng)酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。

圖8為脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在時(shí)間為30 s，不同尿素濃度條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。其中圖8a—8f分別展示了馬達(dá)在尿素濃度為0、0.1、0.5、1、5、10 mmol/L條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從圖中可以看出，當(dāng)尿素濃度為0時(shí)，馬達(dá)的軌跡很短并且基本上在粒子周圍振動(dòng)，證明只存在布朗運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)尿素濃度為0.1～10 mmol/L時(shí)，馬達(dá)的軌跡變長并且按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)，說明能夠自主運(yùn)動(dòng)。隨著尿素濃度增加，馬達(dá)軌跡逐漸變長，說明馬達(dá)速度變快。馬達(dá)的速度與尿素濃度成正比關(guān)系，表明尿素濃度依賴于催化活性。

圖9為脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)表征圖。其中圖9a為馬達(dá)在不同尿素濃度下的平均速度圖，圖9b為馬達(dá)在均方位移(MSD)與時(shí)間間隔的函數(shù)關(guān)系圖。脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的速度是通過從光學(xué)顯微鏡記錄的視頻中一段時(shí)間內(nèi)測量的軌跡長度所計(jì)算得到。

圖8 時(shí)間為30 s條件下酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在不同尿素濃度中的運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.8 Motion trajectory of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus motors in fuel solution with different urea concentration in 30 s

a 平均速率與尿素濃度的關(guān)系b 均方位移與時(shí)間間隔關(guān)系圖圖9 脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在不同尿素濃度下的運(yùn)動(dòng)表征圖Fig.9 Motion behaviors of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus motors

從圖9a中可以看出，隨著尿素濃度的增加，其運(yùn)動(dòng)速率也隨之增大；在尿素濃度到10 mmol/L的情況下，脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的速度可以達(dá)到(3.75±0.01)μm/s并且開始飽和。從2.3節(jié)中得到脲酶的Km值為2.61 mmol/L，在2～5 mmol/L范圍內(nèi)，對于低尿素濃度，速度表現(xiàn)出對尿素濃度的線性依賴性。理論上當(dāng)尿素濃度達(dá)到10 mmol/L，馬達(dá)的催化速率開始達(dá)到飽和，這與馬達(dá)的速度很好地吻合。觀察到的速度值與尿素濃度的關(guān)系與米氏方程擬合結(jié)果非常好地匹配，表明馬達(dá)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)與馬達(dá)表面上固定的脲酶的酶活性直接相關(guān)?；趶牧Ｗ榆壽E提取的坐標(biāo)(xμm，yμm)，計(jì)算不同尿素濃度下的MSD與時(shí)間間隔的函數(shù)。如圖9b中，布朗運(yùn)動(dòng)的MSD曲線是線性的，而自主運(yùn)動(dòng)的MSD曲線為拋物線形狀，并且隨著曲線的斜率越大，說明馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速率越大。隨著尿素濃度的增加，MSD曲線顯示出越來越拋物線的形狀，表明馬達(dá)從布朗運(yùn)動(dòng)到自主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。從上述結(jié)果中得出，成功制備了能自主運(yùn)動(dòng)的脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

2.6 脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方向的控制

控制酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向是其實(shí)現(xiàn)貨物的定向運(yùn)輸以及藥物靶向治療的前提和保證。本文中成功制備的脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，由于基體使用的是磁性微球，因此可以通過外部磁場的調(diào)控實(shí)現(xiàn)控制馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向，如圖10所示。

圖10a中展示了想要將馬達(dá)從位置1運(yùn)動(dòng)到位置2，接著運(yùn)動(dòng)到位置3，再運(yùn)動(dòng)到位置4的預(yù)定路線。圖10b中展示了施加縱向勻強(qiáng)磁場后，馬達(dá)成功地從位置1運(yùn)動(dòng)到位置2。圖10c中展示了在25 s后加橫向勻強(qiáng)磁場后，馬達(dá)成功地從位置2運(yùn)動(dòng)到位置3。圖10d中展示了在50 s后再施加縱向勻強(qiáng)磁場后，馬達(dá)成功地從位置3運(yùn)動(dòng)到位置4。說明制備的脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)能夠按照設(shè)想的路線精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)，這一特性為之后酶驅(qū)動(dòng)微米馬達(dá)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域在人體內(nèi)應(yīng)用提供了可能。

圖10 外部磁場調(diào)控脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方向的視頻截圖Fig.10 Optical snapshot from a video shows motion direction of enzyme-powered urease-Au-MMP Janus motors with guidance of an external magnetic field

3 結(jié)論

1)成功制備脲酶-Au-MMP“雙面神”酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。

2)可通過提高尿素濃度進(jìn)一步提高脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速率。當(dāng)尿素濃度增加到10 mmol/L時(shí)，馬達(dá)的平均運(yùn)動(dòng)速率可增加到(3.75±0.01)μm/s。

3)脲酶-Au-MMP酶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)具有磁性微球?yàn)榛?，?shí)現(xiàn)了通過外部磁場精確調(diào)控馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向。