近20年来，研究人员发现棒状纳米粒子（如棒状病毒，棒状载药粒子）在生物组织网络中表现出快速的扩散，这一现象多被认为是旋转促进的结果，因为纳米棒的转动使其更容易进入相邻的凝胶网格。这一现象对于设计制备药物递送载体，以及理解杆状病毒转染具有重要的意义。然而受限于相关微观表征方法，目前对于棒状粒子的旋转与平动扩散之间的关联性的实验研究进展缓慢。
最近，针对以上问题，华南理工大学殷盼超课题组使用四臂聚乙二醇水凝胶以及金纳米粒子作为模型体系，采用去偏振动态光散射，定量研究了金纳米棒在大分子凝胶受限环境中的各种转动模式。借助去偏振动态光散射，对于纳米粒子动力学尤其是转动过程的单独检测得以实现。该研究团队通过实验以及理论计算证明了转动重新取向诱导平动扩散这一转动-平动扩散耦合的动力学过程的存在，同时得到了这一特征动力学过程的指纹特征：相关方程遵循以0.25为拉伸指数的拉伸指数衰减（图1）。同时，该研究团队还详细分析了金纳米棒在受限状态下表现出的多种转动模式，解析了棒与凝胶网络的耦合转动。
图1 金纳米棒的多种转动过程，转动-平动扩散耦合的特征动力学过程及其示意图。
同时，该研究团队从相关方程中提取了纳米粒子的均方位移以及均方转动角数据，进一步证明了纳米棒平动动力学与转动过程之间的相关性；同时，与具有相近尺寸的金纳米球对比，可以明显的观察到球的均方位移表现出一个明显的平台 （图2），这也与相关方程的拟合分析相吻合。
图2 金纳米棒与金纳米球的均方位移和均方转动角，右图为左图灰色区域放大。
该研究团队进一步研究了棒长度，凝胶网络网格尺寸对这一过程的影响，并将实验体系拓展到烟草花叶病毒这一生物大分子体系。实验发现在凝胶-金纳米粒子模型体系中建立的动力学关系同样适用于生物大分子系统 （图3），这进一步证明了该研究工作提出的动力学机制的可靠性以及可推广性。并且通过改变棒长度以及凝胶网格尺寸，大致确定了这一特征转动过程的存在极限约为。
图3 烟草花叶病毒的多种转动过程以及转动-平动扩散耦合的特征动力学过程。
该工作通过实验以及理论计算出发，详细解释了转动过程影响棒平动扩散的机理，所得到的转动重新取向诱导平动扩散的转动-平动耦合机理可以很好的拓展到生物大分子系统，解答了长久以来该领域在受限状态下棒状粒子转动过程与平动扩散动力学的关系的疑问。这一成果最近以题为“The Coupling of Rotational and Translational Dynamics for Rapid Diffusion of Nanorods in Macromolecular Networks”的文章发表在Nature Communications上。其中华南理工大学博士生薛炳辉为第一作者，殷盼超教授为通讯作者。
文章信息：Xue, B., Liu, Y., Tian, Y. et al. The coupling of rotational and translational dynamics for rapid diffusion of nanorods in macromolecular networks. Nat Commun 15, 6502 (2024).
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50859-z
转载：高分子科技
编辑：余锦婷
初审：殷盼超
复审：康德飞
终审：王林格
前沿软物质学院
华南软物质科学与技术高等研究院
