纳米颗粒在复杂生物环境（如细胞质、黏液、血液、组织间隙等）中的扩散行为，是理解微生物感染、纳米药物递送、诊断探针靶向等关键生物过程的基础。与各向同性的球形颗粒相比，各向异性的纳米棒因具有独特的旋转-平动耦合扩散机制，展现出更强的穿透能力和更快的传输速度，在生物医学工程中极具应用潜力。
然而，长期以来，相关研究主要集中于固定交联网络（如凝胶、多孔骨架）等“刚性约束”体系，而生物环境往往表现为具有动态涨落和可变形特征的“软约束”（如血液、关节滑液、细胞质）。传统理论框架（如Pecora-Deutch理论，简称PD理论）虽能描述纳米棒在硬球胶体中的扩散，但在软物质环境中存在明显局限，甚至与微流变学基本原理相悖。此外，纳米棒尺寸、胶体粒径及其软硬度如何协同调控扩散动力学，始终缺乏系统研究和统一理论描述。
针对上述问题，课题组以金纳米棒（长度从36 nm至230 nm，直径14~55 nm）为模型探针，以硬质二氧化硅球和软质星形聚合物为模型基底，系统构建了从“硬约束”到“软约束”的模型体系。利用去偏振动态光散射（DDLS）技术，实现了纳米棒在软/硬胶体悬浮液中平动与转动扩散的独立、高精度测量，并结合理论建模，对上述问题进行深入的研究。同时，引入棒状生物大分子——烟草花叶病毒（TMV）作为天然验证体系（图1）。
图1. DDLS实验示意图。
首先，针对纳米棒在硬球胶体中的受限扩散，将实验数据与经典PD理论进行了全面对比。发现了经典理论的严格适用边界，并成功拓展了其适用范围：
对于长棒：对于NR170和NR230（长度远大于胶体粒径），实验结果完美符合PD理论预测。这证实了微流变学的基本原理，即当探针尺寸远大于介质特征尺寸时，探针动力学完全由基质的弛豫主导（图2A）。
对于短棒：对于NR36、NR50和NR88，经典PD理论严重高估了转动扩散系数。通过精细的几何分析，发现短棒的长度与胶体“笼”尺寸接近，其自身直径对周围胶体排布产生的扰动不可忽略。为此，使用直径修正项，以及二阶泰勒展开，提出了修正PD理论，成功消除了短棒数据的系统偏差。新模型揭示了
随纳米棒长度（
）变化的非单调性，这在传统理论中从未被揭示，准确描述了短棒在强受限笼中的慢速弛豫行为。至此，我们基于长度与粒径比（L/R），统一了硬球体系中短棒到长棒的全部动力学行为（图2BCD）。
图2. （A）NR170，NR230在硬球中的转动过程。（B）NR36，NR50和NR88在硬球中的转动过程。（C）修正理论（以球体积分数0.2739为例）。（D）笼效应与直径影响示意图。
如果将基底替换为软质星形聚合物（软球悬浮液），实验结果展现出了挑战传统微流变学的反常现象：纳米棒（NR170和NR230）的转动扩散实测值显著快于经典PD理论预测，且体积分数越高，加速效应越明显（图3A）。
针对这一反常，我们摒弃了将软球视为刚性球体的传统假设，转而引入赫兹接触理论进行机理解析。结合小角中子散射（SANS）数据，我们证实软球在接近纳米棒或相邻软球时会发生显著弹性形变。这种形变等价于为纳米棒的旋转腾出了额外的“自由体积”。从赫兹势出发，定义了变形程度（
）与体积分数（
）和软球杨氏模量（
）的定量关系：推导出变形修正的PD理论。该理论不仅完美拟合了金纳米棒在软球中的加速曲线，更成功预测了TMV在软球中的同样加速行为。同时，理论计算出的软球软度系数与文献中多臂PEG水凝胶的力学参数在量级上高度吻合，这强有力地证明了该模型适用于软物质生物体系（图3BCD）。
图3. （A）NR170，NR230在软球中的转动过程。（B）TMV在软球中的转动过程。（C）转动加速曲线。（D）软球可变形性示意图。
对比前期在凝胶网络中的发现（旋转促进平动，耦合扩散，拉伸指数
），本研究在胶体悬浮液中发现，无论纳米棒长度如何，其平移与旋转运动完全解耦。具体表现为：平动扩散系数由胶体基质的协同慢弛豫模式（长期集体运动）主导，而转动扩散系数仅由胶体的局域短时运动（笼的变形与重构）主导。这一鲜明对比深刻揭示了约束体系的拓扑结构与动态特性共同决定了纳米棒的输运规律。
基于以上系统性理论与实验验证，我们对微流变学的应用准则提出了关键修正。传统观点认为探针/基质尺寸比（L/R）大于10即可确保测量准确。但我们的数据明确显示，当基质具有可变形性（软度）时，该比值必须大幅提高。通过对NR170、NR230和TMV三组数据的归一化拟合L/R必须不低于30，否则软基质的局部变形将严重干扰微流变学反演的准确性。这一结论为未来利用各向异性探针进行软物质微流变学测量提供了严格的、量化的实验操作指南。
该工作从实验以及理论计算出发，研究了不同参数对胶体颗粒悬浮液受限环境中纳米棒扩散动力学的影响。这些结论为调控生物基质受限环境中的合成或天然纳米棒的扩散动力学提供了理论指导，拓展了棒状纳米颗粒在生物医学工程中的实际应用。这一成果最近以题为“BiophysicalRevisit of Micro-Rheology via Anisotropic Diffusion in Soft and Hard Colloids”的文章发表在Newton上。其中薛炳辉博士为第一作者，殷盼超教授为通讯作者。
文章链接：https://www.cell.com/newton/abstract/S2950-6360(26)00222-7