多功能磁性纳米颗粒模拟有助于传感器技术的发展

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种计算工具,允许用户对多功能磁性纳米颗粒进行模拟,可用于药物输送和传感器技术等应用。

通过马特·希普曼 2022年3月17日
北卡罗莱纳州立大学Yaroslava Yingling和Akhlak Ul-Mahmood提供

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种计算工具,允许用户以前所未有的细节对多功能磁性纳米颗粒进行模拟。这一进展为旨在开发磁性纳米颗粒的新工作铺平了道路,这些纳米颗粒可用于从药物递送到传感器技术的应用。

“自组装磁性纳米颗粒,或MNPs,有很多理想的性质,”Yaroslava Yingling说,他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者,也是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程的特聘教授。“但研究它们一直具有挑战性,因为计算模型一直难以解释所有可能影响这些材料的力。MNPs受到外部磁场和范德华斯、静电、偶极、空间和水动力相互作用之间复杂的相互作用。”

MNPs的许多应用都需要了解纳米颗粒在复杂环境中的行为,例如使用MNPs通过外部磁场将特定蛋白质或药物分子传递到靶向癌症受影响细胞。在这些情况下,能够准确模拟MNPs如何对不同的化学环境做出反应是很重要的。以前研究MNPs的计算建模技术无法解释MNPs在给定的胶体或生物环境中经历的所有化学相互作用,而是主要关注物理相互作用。

“这些化学相互作用可以在MNPs的功能以及它们如何对环境做出反应中发挥重要作用,”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士生Akhlak Ul-Mahmood说。“MNPs的详细计算建模非常重要,因为模型为我们为特定应用设计MNPs提供了有效的途径。

模拟图像显示两个MNPs在磁场下的自组装。北卡罗莱纳州立大学Yaroslava Yingling和Akhlak Ul-Mahmood提供

模拟图像显示两个MNPs在磁场下的自组装。北卡罗莱纳州立大学Yaroslava Yingling和Akhlak Ul-Mahmood提供

“这就是为什么我们开发了一种方法来解释所有这些相互作用,并创建了开源软件,材料科学界可以使用它来实现它。”

Yingling说:“我们乐观地认为,这将促进对多功能MNPs的重要新研究。”

为了证明新工具的准确性,研究人员将重点放在油酸配体功能化的磁铁矿纳米颗粒上,这种纳米颗粒已经被研究过,并且被广泛理解。

Mahmood说:“我们发现,我们的工具对这些纳米颗粒的行为和性质的预测与我们基于实验观察对这些纳米颗粒的了解是一致的。”

更重要的是,该模型还为这些MNPs在自组装过程中的行为提供了新的见解。

Yingling说:“我们认为,这次演示不仅表明了我们的工具是有效的,而且强调了它可以提供的额外价值,帮助我们了解如何最好地设计这些材料,以利用它们的特性。”

-由Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com


作者简介:马特·希普曼,北卡罗莱纳州立大学研究交流负责人