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活性囊泡在微管道受限下的动力学行为研究

中文摘要

活性物质是通过消耗从外界获取的能量来维持自身运动的一类物质，其所展现出的

非平衡态现象引起了国内外科研人员的极大兴趣，活性粒子体系相关的应用也被广泛开

发，如生物载药、微型机器人与环境治理等等。关于活性物质的研究虽已取得了许多成

就，但对于其集群运动背后物理机制的探索仍然面临很大困难，其中关于活性物质定向

输运的研究正广泛进行，特别在药物输运方面的前景十分广阔。本工作主要采用分子动

力学方法对微管道受限下的活性囊泡在不同环境下的动力学行为进行研究，主要内容如

下：

首先，对活性粒子体系以及其丰富有趣的非平衡现象做了介绍，并详细阐述了本工

作所使用的软件与分子动力学模拟方法。

其次，研究活性囊泡在微管道中的运动行为，探究活性力、旋转扩散系数以及微管

道宽度对囊泡运动行为的影响，得到囊泡质心位移在不同微管道宽度、活性力与旋转扩

散系数大小下随时间变化的关系，发现囊泡在适当的条件下会有短时间的定向运动，但

在长时间呈现出不定向运动状态。分析囊泡的均方位移，得到囊泡长时间做加速运动，

展现出超扩散行为。然后对囊泡体系施加电场，发现囊泡在电场诱导下可做长时间的定

向运动。同时对计算结果做了进一步的分析，发现囊泡的运动行为同时受活性因素与外

加电场的共同影响，得到了囊泡可以做长时间定向运动的临界电场，并计算囊泡整体与

各部分速度，研究得到囊泡在临界电场及以上时的运动速度长时间保持同向，囊泡可做

稳定的定向运动。

接着，在上述研究基础上，在微管道中引入了活性粒子浴，研究了囊泡在活性粒子

浴中的运动情况，通过调控活性力、旋转扩散系数以及外加电场等因素，分析得到了在

活性粒子浴数密度较小时，囊泡可在电场诱导下做长时间较明显的定向运动，在活性粒

子浴数密度较大时，囊泡的运动行为经历了“阻塞—冻结—逃逸”的过程。

最后，概括总结了本文工作所得到的结论，并对后续进一步的研究工作进行了展望。

关键词：活性囊泡；定向输运；分子动力学；微管道受限

I

II

Dynamicbehaviorofactivevesicleundermicrochannelrestriction

ABSTRACT

Activesubstancesareaclassofsubstancesthatmaintaintheirownmotionby

consumingenergyobtainedfromtheoutsideworld.Thenonequilibriumphenomenathey

exhibithavearousedgreatinterestamongresearchersathomeandabroad,andapplications

relatedtoactiveparticlesystemshavealsobeenwidelydeveloped,suchasbiologicaldrug

delivery,micro-robotandenvironmentalgovernance.Althoughmanyachievementshavebeen

madeinthestudyofactivesubstances,theexplorationofthephysicalmechanismbehind

theirclustermovementisstillfacinggreatdifficulties.Amongthem,theresearchonthe

targetedtransportofactivesubstancesisbeingwidelyconducted,especiallyinthefieldof

drugtransport,withabroadprospect.Inthiswork,moleculardynamicsmethodsaremainly

usedtocalculateandstudythedynamicbehaviorofactivevesiclesundermicrocha