动不了，不可能？让微小的粒子跳动起来--纳米机器人的最新研究进展
"纳米机器人"是机器人工程学的一种新兴科技，属于"分子纳米技术"的范畴，根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。它最初的设想是由1959年诺贝尔奖得主理论物理学家理查德-费曼提出利用纳米技术开发出微型机器人，并将其应用于疾病治疗中（图1）。他提出可以把分子甚至单个的原子作为构筑元件用于细小的空间的物质构建，这将使生产程序变得非常简单，只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。
但是纳米机器人如何在生物体中巧妙实现躲避红细胞、白细胞，或者喷出药物，或者切割钻削仍然是目前科研工作者努力解决的问题。幸运的是，在科技的日新月异推动下，在来自世界各地科研人员的不懈努力下，如今在国际范围内掀起了微纳米机器人研究的新热潮。自21世纪初以来，人们合成出了许多不同种类的微纳米材料及精巧的分子，并通过电能、磁能、光能、声能、热能等各种供能方式，让这些人工制造的分子与颗粒在微纳米尺度运动起来。研究人员发布了数以千计的论文、专利、学术报告，来讨论这些材料的合成、驱动机制、相互作用机理，并结合理论和数值模拟，对实验中观察到的现象进行缜密而全面的分析。
2016年的诺贝尔化学奖，就颁给了三位超分子领域的专家，以表彰他们在分子机器合成领域的卓越贡献。对于纳米机器人的生物学效应及体内毒性的研究将作为生物医药研究中的重大创新，极大拓展了纳米机器人治疗平台在临床疾病治疗中的应用前景。近几年，围绕纳米机器人的相关研究呈井喷式的发展，至今有关论文发表数量已经累计上万篇。在此，我们挑选了最新发表的数篇论文进行详细介绍，方便大家进行相关内容的学习以及了解该领域的发展近况。
1. Applied Materials Today （IF 10.041）：等离子磁纳米机器人通过电子输出进行SARS-CoV-2 RNA检测
简介：COVID-19已经促使人们迫切需要对全球医疗危机提出解决方案,特别是在诊断、疫苗和治疗领域。作为纳米科学技术的新兴工具,微/纳米机器人已经表现出了先进的性能,如自我推进、精确机动性和远程驱动,因此在COVID-19大流行方面具有很大的潜力。捷克共和国兽医研究所Daniel Ruzek教授通过电子读出信号,展示了一种基于等离子体的简单、高效的COVID-19检测方法。机器人由Fe3O4主干和Ag外表面组成,设计磁动力推进和导航,并结合杂化脉冲伏安法(DPV)技术进行探针核酸运输和释放。磁力驱动的纳米机器人能够增强微型动力化和主动瞄准,从而促进其结合动力学性能。试验提取的SARS-CoV-2病毒RNA样本验证了该检测的临床适用性。相关工作“Plasmonic-magnetic nanorobots for SARS-CoV-2 RNA detection through electronic readout”于2022年1月25日发表在Applied Materials Today杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101402
2. Applied Materials Today（IF 10.041）：可见光驱动的TiO2@N-Au纳米机器人穿透玻璃体
简介：对于眼科而言，传统的药物被动扩散干预仍存在许多不确定性和挑战。主要障碍之一是玻璃体内部复杂生物大分子造成的穿透受限。中山大学Fei Peng教授首次展示了一种新型的TiO2@N-Au纳米线电机/机车机器人，可以通过无线自然可见光驱动，通过光电泳机制自主有效地穿透玻璃体。通过高效的推进，以及与玻璃体网络空隙匹配的纳米级电机，可以无创伤地深入玻璃体，克服非均匀非牛顿流体(剪切变薄和粘弹性)的障碍。可见光驱动的TiO2@N-Au纳米电机在深度眼病和无线生物电子学方面具有巨大的应用前景。相关工作“Visible-light-driven TiO2@N-Au nanorobot penetrating the vitreous” 于2022年3月19日发表在Applied Materials Today杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101455
3. ACS Biomaterials-Science & Engineering（IF 4.749）：面向癌症管理的多面仿生纳米机器人
简介：迄今为止，纳米技术的显著受益者是癌症控制。纳米机器人是随着纳米结构、机器人、医疗保健和计算机系统的进步而发展起来的。这些纳米级的设备有助于预防、诊断和治疗各种健康状况，特别是癌症。虽然这些结构具有不同的潜力，但在其结构中使用无机物会影响其性能，并可能导致身体健康问题。为了克服这一问题，自然激发的物质被纳入纳米机器人的制造过程，被称为仿生纳米机器人，它可以克服免疫反应，并通过有效的功能化减少副作用。这些仿生纳米机器人可以扩大癌症成像和治疗的机会。印度萨提亚巴马科学技术研究所Ranjita Misra教授就仿生纳米机器人及其在癌症治疗中的应用作一综述。此外，还指出了纳米仿生机器人临床应用的安全性问题和未来发展方向。相关工作“Multifaceted Engineered Biomimetic Nanorobots Toward Cancer Management” 于2022年2月4日发表在ACS Biomaterials-Science & Engineering杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.1c01352
4. ACS Nano（IF 15.881）：磁性纳米机器人作为可操作的免疫检测探针用于自动化和高效的酶联免疫吸附测定
简介：酶联免疫吸附试验(ELISA)作为分析化学中一种典型的、经典的、强大的生化传感技术，在超低浓度分析物的定量分析中表现出了优越性和广泛的实用性。然而，传统的酶联免疫吸附试验的培养时间长，繁琐、费力的多步骤洗涤过程使其效率低下，劳动强度大。哈尔滨工业大学(深圳)马星教授提出了棒状磁驱动纳米机器人(MNRs)作为可操作的免疫检测探针，促进了自动化和高效的ELISA分析策略，称为纳米机器人支持的ELISA (nR-ELISA)。为了制备MNRs，将自组装的Fe3O4磁性颗粒链以化学方式包覆一层薄的刚性氧化硅(SiO2)，并在其上嫁接捕获抗体(Ab1)，以进一步实现磁性可操作性免疫分析探针(MNR-Ab1s)。利用数值模拟的方法研究了微尺度下MNRs周围的流体速度分布，并通过经验验证了主动旋转MNRs的混合效率。为了实现分析过程的自动化，设计并制造了一个由三个功能井组成的检测单元。MNR-Ab1s可以导向到不同的功能井，以进行所需的反应或期望过程。主动旋转MNR-Ab1s可以提高微尺度下与目标分析物的结合效果，大大缩短孵育时间。集成的nR-ELISA系统可以显著缩短检测时间，更重要的是，在此过程中人力投入大大减少。对Helmholtz线圈产生的磁场分布的模拟表明可以放大，这证明了使用现有策略构建高通量nR-ELISA检测仪器的可行性。将磁性微纳米机器人作为主动免疫检测探针用于全自动、高效的酶联免疫吸附试验(ELISA)，不仅为今后的POCT检测提供了广阔的应用前景，同时也为自走式微纳米机器人在分析化学领域的实际应用提供了广阔的前景。相关工作“Magnetic Nanorobots as Maneuverable Immunoassay Probes for Automated and Efficient Enzyme Linked Immunosorbent Assay” 于2022年1月11日发表在ACS Nano杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05267
5. ACS Nano（IF 15.881）：具有上游动力的聚合物锥形纳米游泳器的合理设计
简介：国科温州研究院Qiang He教授利用自下而上的可控分子组装，在不同的节段上功能化金纳米壳的生物激发聚电解质多层锥形纳米游泳器实现了最优的上游推进性能。实验研究表明，金纳米壳层在纳米游泳器大开口上的存在，不仅可以提供有效的定向推进，而且可以将外部气流的影响降至最低。纳米游泳者大开口处的金纳米壳有利于声能推进，流速高达2.00 mm/s ，高于毛细血管内的血液流速，从而为上游纳米游泳者提供了概念验证设计。相关工作“Rational Design of Polymer Conical Nanoswimmers with Upstream Motility” 于2022年4月27日发表在ACS Nano杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01979
6. Advanced functional materials（IF 18.808）：超声波推进的微型和纳米机器人
简介：足够低振幅的超声，特别是在MHz频率范围内，对生物样本(如细胞和组织)几乎没有伤害，并提供了一种有利的和良好控制的手段，有效地为微生物提供动力。布尔诺理工大学的Martin Pumera教授从化学、物理和材料科学的角度对超声推进的微纳米机器人进行了综述。首先，介绍了微/纳米机器人超声推进的成熟理论。其次，对超声推进微/纳米机器人的装置设计进行了分类。在此基础上，对超声微纳米机器人的制备方法及机理进行了综述。研究者总结和讨论了磁驱动、光驱动和催化驱动的超声驱动微/纳米机器人的混合运动。随后，本文重点介绍了超声驱动功能性微/纳米机器人在生物医学、环境等相关领域的代表性应用。最后，对超声驱动微纳米机器人的发展前景进行了展望。相关工作“Ultrasonically Propelled Micro- and Nanorobots” 于2022年4月14日发表在Advanced functional materials杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102265
7. Advanced functional materials（IF 18.808）：碳螺旋纳米机器人用于细胞膜穿孔及靶向光热癌症治疗
简介：在微纳米尺度下使用无线操控器件完成细胞膜穿刺，对药物输运、微创手术、基因编辑等生物医学领域的基础研究与医疗应用具有重要意义哈尔滨工业大学(深圳) 马星教授报道了一种基于碳纳米线圈的磁性纳米机器人，它可以精确地瞄准单个细胞并进行细胞膜穿透。首先采用化学气相沉积的方法合成纳米机器人，然后采用物理沉积的方法制备Ni和Au纳米膜。旋转电磁场被用来引导纳米机器人沿着任何预先设计的路径导航。螺旋纳米机器人可以在亚细胞水平精确定位，实现对质膜甚至核膜的机械穿孔。借助体外沉积的金纳米膜，可从细胞浆和细胞核收集表面增强的拉曼散射生物传感信号。此外，纳米机器人展示了高效的光热治疗靶向癌细胞的能力，并作为一个综合治疗平台，为未来的精准医疗提供了良好的前景。相关工作“Carbon Helical Nanorobots Capable of Cell Membrane Penetration for Single Cell Targeted SERS Bio-Sensing and Photothermal Cancer Therapy” 于2022年4月3日发表在Advanced functional materials杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202200600
8. Advanced functional materials（IF 18.808）：用于癌症治疗的智能微/纳米机器人
简介：癌症因其高死亡率和缺乏有效的诊断和治疗工具而成为最棘手的疾病之一。微/纳米机器人(MNR)辅助的传感、成像和治疗技术的进步为开发基于MNR的癌症诊断平台提供了前所未有的机会。与在生物流体中表现出布朗运动的普通纳米颗粒不同，MNRs通过有效的自推进在超低雷诺数环境中克服粘性阻力。这种独特的运动特性推动了MNRs的先进设计和功能化，作为下一代癌症治疗平台的基础，这为治疗药物的精确分布和改善渗透提供了可能性。此外，增强屏障穿透、成像引导操作和生物传感也被研究，使MNRs在癌症相关方面的应用成为可能。华中科技大学BiFeng Liu教授综述了基于MNR的癌症治疗的最新进展，包括驱动引擎、诊断、医学成像和靶向药物输送等。智能微/纳米机器人有可能对未来十年的癌症治疗产生深远影响。相关工作“Intelligent Micro/nanorobot for Cancer Theragnostic” 发表在Advanced functional materials杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s43018-022-00329-6
9. Small（IF 13.281）：轻型纳米机器人用于面部钛植入的生物膜去除
简介：微型钛板是现代口腔颌面外科治疗面部骨折的生物相容性材料。然而，由于植入物存在潜在的并发症，通常需要去除钢板。其中，在感染的微型钢板上形成生物膜与严重的炎症相关，这往往导致植入失败。有鉴于此，控制或治疗口腔细菌生物膜的新策略备受关注。布尔诺理工大学Martin Pumera教授利用纳米机器人对抗生长在面部商业钛微板植入物上的多种细菌生物膜。与传统的纳米机器人不同，该策略基于光驱动的自行驱动管状black-TiO2/Ag纳米机器人，它具有从紫外到可见光范围的扩展吸收和运动驱动能力。运动分析分别在UV、蓝光和绿光照射下进行，并显示不同的运动行为，包括随波长增加而减少的快速旋转运动。通过评价在运动/静止条件下经纳米机器人处理的细菌生物膜的活死荧光和数字显微镜图像来监测生物量的减少。目前的研究和取得的结果对生物膜治疗金属微板感染具有重要的意义。相关工作“Light-Propelled Nanorobots for Facial Titanium Implants Biofilms Removal” 于2022年3月14日发表在Small杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202200708
10. Chemical Engineering Journal（IF 13.273）：基于微游泳器的全血检测电化学平台，具有主动捕获器/信号放大器/漏斗型装置
简介：如何有效地检测全血中痕量疾病标志物仍然是一个很大的挑战。南京师范大学Chun Mao教授本文提出了一种基于主动捕获能力/信号放大器/漏斗式检测装置的分离捕获检测电化学检测平台。首先，制备了磁性纳米材料修饰的Mg基微生物(Mg/氧化铁/聚多巴胺/肝素，Mg/Fe3O4/PDA/Hep)，与水反应生成氢作为驱动源，Mg2+作为信号放大器循环切割Mg2+诱导的核酸片段。其次，Mg基微游泳者逐渐消耗Mg微球，留下含有捕集剂的磁性纳米材料，磁性电极可以完全回收。最后，采用漏斗式电化学检测装置，在毫升溶液中充分采集识别器进行检测。这一战略有望为疾病的早期和准确诊断提供一种候选方法。相关工作“Microswimmer-based electrochemical platform with active capturer/signal amplifier/funnel-type device for whole blood detection”发表在Chemical Engineering Journal杂志上。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132665
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