化学驱动微纳米马达（Micro-/nanomotors）可将周围环境中的化学能转化为自主运动，并表现出类似于运动微生物的趋化性，有望实现对病灶部位的主动寻靶，为药物靶向递送等生物医药领域带来颠覆性变革新技术。人体血液循环系统几乎与所有重要组织和器官相连，开发可注射的化学驱动微纳米马达进入血液循环系统对各种疾病的靶向治疗具有重要意义。为了实现在血液循环系统中工作，可注射的化学驱动微纳米马达至少应满足以下三个要求：首先，燃料来源于血液循环系统中存在的内源性物质；然后，在复杂生物介质中具备强大的驱动力；其次，尺寸适中，能够突破血液循环系统中的各类生物屏障。例如，脾脏中致密的内皮细胞网络(约200 nm)将清除尺寸大于200 nm的颗粒，而肾脏则会将尺寸小于6 nm的颗粒快速过滤排出体外。对于肿瘤治疗，尺寸在30-200 nm范围内的纳米颗粒能够利用EPR效应增强在肿瘤区域的富集。经过近十年的发展，研究者们发展了一系列化学驱动微纳米马达，但它们大都难以在人体血液循环系统中维持有效驱动，且由于尺寸偏大导致其无法有效突破生物体内存在的各种生物屏障。
图1. 脲酶驱动双面神纳米马达的设计示意图
图2. 脲酶驱动双面神纳米马达的制备与表征
如图2所示，UPJNMs的制备过程主要包括两个步骤：首先利用选择性刻蚀技术和分步偶联法，制备一侧修饰N-乙酰-L-半胱氨酸的双面神纳米金颗粒；然后利用酰胺反应，将脲酶非对称修饰到双面神纳米金颗粒一侧。制备得到的双面神纳米马达具有良好的单分散性，生物酶和PEG分子分别修饰在纳米金颗粒两侧。通过改变纳米金颗粒的大小，该方法能够制备出尺寸从100 nm到30 nm的UPJNMs。
图3. 脲酶驱动双面神纳米马达的运动性能
如图3所示，不同尺寸的UPJNMs均表现出良好的运动性能。随着燃料浓度增加，马达的运动性能逐渐增强直至达到饱和，其规律符合酶促反应动力学。不同粒径的脲酶驱动微纳米马达均能在血液生理尿素浓度范围内进行高效驱动。不同于微米尺寸的脲酶驱动马达，UPJNMs的离子耐受性显著增强，能够在不同生物介质中维持有效驱动。与对称结构相比，双面神结构能显著增强驱动行为。
图4. 脲酶驱动双面神纳米马达的趋化性能
如图4所示，UPJNMs能够从宏观和微观层面表现出正趋化行为。随着马达尺寸增加，马达的趋化性能逐渐增强。相比于对称结构，相同粒径的UPJNMs有显著增强的趋化灵敏性。
图5. 脲酶驱动双面神纳米马达的胶体稳定性和细胞毒性
如图5所示，UPJNMs在不同的生物介质中具有良好的胶体稳定性。当马达分散在血液中时，其表面通过静电相互作用会吸附一层带正电的蛋白形成蛋白冠，但不影响马达的运动性能。细胞毒性实验结果表明，马达材料、燃料和酶促反应均无明显细胞毒性。
图6. 脲酶驱动双面神纳米马达的药代动力学和生物安全性
图6的药代动力学实验结果表明，UPJNMs能够在小鼠的血液循环系统中进行长时间循环。血液生化指标和组织切片结果表明，该马达具有良好的生物相容性，对生物体不会产生明显的毒性。
相关研究成果近日以“Ultrasmall enzyme-powered Janus nanomotor working in blood circulation system”为题发表在ACS Nano上。武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室官建国教授、罗明副研究员、武汉大学口腔医院余自力副主任医师为本文的共同通讯作者，武汉理工大学材料与科学工程学院硕士研究生杨自立和王良梦为本文的共同第一作者。武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院硕士研究生高志雪和郝晓蒙为论文做出了重要贡献。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和科技部重点领域创新团队项目等的支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c00548
作者简介
官建国，武汉理工大学材料学科首席教授、材料复合新技术国家重点实验室副主任，武汉光化学技术研究院副院长，科技部重点领域创新团队负责人。主持承担国家重点研发计划和863计划等国家级重要科研项目20余项；提出磁介电吸波和多机理吸波超材料设计方法，构建“薄、轻、宽、强”吸波与电磁屏蔽涂层材料，在10余个国家重要工程上实现规模化应用和产业化；提出空间位阻型磁性光子晶体与纳米光子链概念，研制出可实用化的光子晶体防伪油墨；发现趋光性人工微纳米马达，实验证实自驱动微纳米马达趋化性的物理化学机制。在Chem Rev、Chem Soc Rev、Adv Mater、Matter和Natl Sci Rev等国内外著名期刊发表高水平论文300余篇，授权发明专利58项。在2022年签约了武汉理工大学首个亿元级成果转化，被《人民日报》、《湖北日报》和《长江日报》等官方媒体报道。兼任中国微米纳米技术学会和中国光学工程学会常务理事，以及Appl Mater Today等多个国际学术期刊编委，指导培养硕士博士研究生和博士后180余名。获的荣誉称号和奖励包括国家“万人计划”科技领军人才、教育部“长江学者”特聘教授、新世纪百千万人才工程国家级人选，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士，高等教育国家级教学成果奖二等奖，湖北省技术发明一等奖等9项。
罗明，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副研究员，中国微纳米技术协会微纳米机器人分会理事。2016年6月毕业于武汉大学化学与分子科学学院，并获博士学位。2013年9月至2015年9月在美国佐治亚理工学院生物医药工程系联合培养。2016年7起先后任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室助理研究员、副研究员。主要从事微纳米机器人的构筑及其在生物医药领域的应用研究。主持和参与国家级或省部级项目10余项。目前已在Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Appl. Phys. Rev.和Biosens. Bioelectron.等国际著名学术期刊上发表论文60余篇，目前引用次数3000余次，申请和授权中国发明专利5项。
余自力，武汉大学口腔医院口腔颌面-头颈肿瘤外科副主任医师，湖北省临床肿瘤学会（ESCO）肿瘤微环境专家委员会委员。2017年6月毕业于武汉大学口腔医学院，并获医学博士学位。入选中国科协“青年人才托举工程”和“武汉市中青年医学骨干人才培养工程”。近5年来主持3项国家、部、市级科研项目。研究方向为细胞外囊泡的分离纯化、示踪成像和高灵敏检测及其在肿瘤诊疗中的应用。以第一作者或通讯作者（含共同）发表SCI论文15篇，包括ACS Nano, Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., Anal. Chem., Sensor Actuat. B-Chem., J. Extracell. Vesicles, NPJ Precis. Oncol.等期刊。申请中国发明专利11项，其中已获得授权3项。
