实验室殷盼超教授团队：软物质中的“快转”秘密——纳米棒在软硬胶体中的扩散动力学研究

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。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的殷盼超教授课题组以金纳米棒（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，深入解析了约束环境的拓扑结构与动态特性对纳米棒输运规律的协同调控机制。该研究首次揭示了软约束环境中纳米棒转动扩散的反常加速现象，提出了变形修正的PD理论，为纳米药物递送和微流变学测量提供了严格、量化的实验操作指南。

研究团队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Pecora-Deutch（PD）理论进行全面对比，对于长度远大于胶体粒径的长棒，实验结果完美符合PD理论预测；对于短棒，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长度与胶体“笼”尺寸接近，其自身直径对周围胶体排布产生不可忽略的扰动，为此提出修正PD理论，成功消除了短棒数据的系统偏差，基于长度与粒径比统一了硬球体系中短棒到长棒的全部动力学行为。当将基底替换为软质星形聚合物时，实验结果展现出挑战传统微流变学的反常现象——纳米棒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。针对这一反常，研究团队引入赫兹接触理论，结合小角中子散射数据，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额外“自由体积”，进而推导出变形修正的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，更成功预测了烟草花叶病毒在软球中的同样加速行为。研究进一步发现，在胶体悬浮液中纳米棒的平移与旋转运动完全解耦：平动扩散由胶体基质的协同慢弛豫模式主导，而转动扩散仅由胶体的局域短时运动主导。基于以上系统性研究，团队提出了微流变学应用的关键修正准则：当基质具有可变形性时，探针/基质尺寸比必须不低于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。

相关研究成果以“BiophysicalRevisit of Micro-Rheology via Anisotropic Diffusion in Soft and Hard Colloids”为题发表在Newton上，其中通讯作者为殷盼超教授，第一作者为薛炳辉博士。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金等科研项目的资助。