哈工大（深圳）马星团队 ACS Nano：温敏响应酶驱动微量采样纳米机器人

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自驱动微纳米机器人（也称为微纳米电机，或微纳米马达），能够将其他形式的能量转化为动能进行机械运动。不同的结构设计和驱动方式赋予了微纳米机器人不同的功能，由于其具备在微/纳米尺寸下进行自主运动，微/纳米机器人在生物医学领域中显示了出巨大的应用潜力，包括药物输送，超微型手术，生物成像和生物传感，临床诊断等。在微尺度下工作的采样机器人是目前微纳米机器人领域的一个研究热点之一。尽管科学家们在采样机器人的结构设计方面做出了很多的努力，但目前采样微/纳米机器人的样品抓取效率仍然较低，同时也无法立即“感知”捕获货物分子的性质以进行现场的智能分析识别。因此，就生物医学诊断的应用前景而言，采样分子的原位监测和精确靶向递送控制对于采样纳米机器人来说仍是一项挑战。

图1. 微量采样中空纳米机器人的制备及其表征

近日，哈尔滨工业大学（深圳）索维奇智能新材料实验室的马星教授研究团队在ACS Nano上发表了关于温敏响应酶驱动纳米机器人用于主动微量采样的相关研究。通过将金属（Au）纳米点封装在中空介孔二氧化硅纳米粒子（HMSNPs）中，并在其外表面接枝温度响应性聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）来制备温度响应性的微采样纳米机器人。进入内部空腔的纳米通道的分子门可以通过调节温度实现“打开”和“关闭”状态之间的切换，并且允许按需加载和释放小分子。基于金纳米点的内部嵌入表面增强拉曼散射 (SERS) 热点可用作传感探针，用于实时检测中空纳米机器人内的分子货物的负载状况。此外，该研究还探究了由酶促反应驱动的纳米机器人的温度依赖性自推进行为，其主动运动行为可以有效地调节分子货物的装载效率。通过进一步引入磁性材料成分Ni，纳米机器人可以在实时拉曼监测下通过磁性引导实现货物分子的有效转移和运输。目前研究开发的策略有望为精确生物医学采样和智能诊断提供一个可操作的纳米机器人平台，该平台在疾病诊断、药物控制输送方面具有广阔的应用潜力。

图2. 采样机器人的小分子货物定位、加载、封装和释放过程

通过3D打印微流道，模拟验证了基于温敏-酶驱-磁控三重响应的纳米机器人的靶向装载、实时监测、可控封装和货物释放等一系列微取样功能。在实时拉曼监测下，通过磁性引导实现了对待测货物分子的有效捕获和可靠运输。通过多次往返操控，可以有效提升R6G模型货物分子的递送量，大大提升了小分子货物的运输和提取效率。这种具有运动可操控的智能化微量取样纳米机器为未来的生物医学精准诊疗提供了新技术手段。该团队制备了基于 Au@SiO₂@PNIPAM 纳米粒子的核壳结构，构建了温敏响应性的自驱动微量采样纳米机器人。小分子货物装载效率和容量可以通过脲酶分解诱导的自推进行为以及温度变化来实现有效调控。同时，该工作进行了微量采样应用的可行性探究，其中包括纳米机器人的靶向运动、货物加载、封装和释放等基本功能。通过拉曼传感技术实现了对装载的小分子货物的实时现场监控，多次重复往返的操作可以大大提升货物的运送和取样能力。总之，本项研究中构建的酶驱动纳米机器人活性载体平台，为纳米机器人用于小分子的微量采样、运输、捕获、分析提供了新思路。
相关论文发表在ACS Nano上，哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生刘小嘉为文章的第一作者，马星教授和陈文君助理研究员为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00401

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