科学家研发光驱动纳米马达实现运动速度新突破，最高速可达125μm/s，或用于药物递送及精确成像

近日，博士毕业于哈尔滨工业大学贺强教授课题组、目前在荷兰埃因霍温理工大学扬·C·M·范·赫斯特（Jan C. M. van Hest）课题组从事研究工作的邵婧鑫博士及所在团队，利用具有“碗型”形貌的聚合物囊泡负载金纳米粒子，设计出一种由光热驱动的纳米马达。

该马达的最大速度可达到 125μm/s，实现了纳米马达运动速度的新突破。

纳米马达在生物医学领域具有广泛的应用前景。通过自主运动，纳米马达能够用于药物靶向递送、疾病早期诊断与监测、组织再生与修复、生物成像、基因治疗、以及抗菌和抗肿瘤治疗。

本次制备的光驱动纳米马达，通过负载相应的“货物”，如抗菌和抗肿瘤药物、生物标志物、生长因子、生物成像荧光分子、基因编辑工具（CRISPR/Cas9）等，可以应用于上述各个领域。

除此之外，该成果具有光热响应性，因此也可用于光热治疗，并与负载“货物”的相应功能相结合，进一步拓展其应用领域。

另外，金纳米粒子还可以作为电子计算机断层扫描（CT，ComputedTomography）成像的造影剂。

因此，本研究中所制备的纳米马达有望用于精确的成像，在递送药物的同时，追踪纳米马达在体内/体外的运动及富集情况。

对于相关论文[1]，审稿人高度评价了本次光驱动纳米马达的优异性能。

并高度赞赏了课题组使用冷冻透射电子显微镜来表征和分析纳米马达的形貌的做法。

预计本次成果将为设计和制备基于软材料的纳米马达提供新的思路，同时为纳米马达的形貌表征、运动机理的探索提供新的启发。

（来源：Nature Communications）

制备“碗型”聚合物囊泡

据介绍，具有形貌可控和功能集成的聚合物囊泡，是一种优异的药物载体，在生物医学领域有着广泛的应用。

相比于球形聚合物囊泡，“碗型”结构的聚合物囊泡具有额外的负载空间，即中空内陷的腔体。

为进一步挖掘并扩展聚合物囊泡的应用领域，邵婧鑫所在团队充分利用这一腔体的负载能力，装载具有不同功能和特性的“货物”，并应用于各个领域。

例如，他们曾将白金纳米粒子负载于内腔中，成功制备了基于聚合物囊泡的气泡驱动纳米马达[2]；

以及将酶负载的“碗型”聚合物囊泡用于制备酶驱动的纳米马达 [3]；

并将二氧化锰纳米粒子负载的可降解的“碗型”聚合物囊泡，用于肿瘤组织的有效穿透和深度药物运输 [4]。

基于前期工作，本研究的初始构想是将金纳米粒子负载到“碗型”可降解聚合物囊泡的内腔中，制备具有光热响应性的聚合物囊泡，以构建光驱动的聚合物纳米马达，并将其用于光热抗肿瘤治疗。

然而，受到表面功能化技术的启发，他们将研究重点从内腔负载转向金纳米粒子在聚合物囊泡表面的功能化，以进一步提高负载效率。

另据悉，此前他们通过溅射镀膜的方法构建了 Janus 球型聚合物囊泡 [5] 及 Janus“碗型”聚合物囊泡 [6]，并将其用于制备光驱动纳米马达。

通过对其运动进行精准控制，实现了药物运输、细胞内递送和深层组织穿透等应用。

据介绍，纳米马达能将外界能量转化为机械能，从而实现自主驱动运动。

与传统纳米药物载体（没有自主运动能力）相比，纳米马达作为载药体系，可以更有效的进行胞内递送，并可进入深层组织的内部。

光驱动纳米马达，因其在空间和时间上对运动行为的精确控制，得到广泛关注。

迄今为止，多种形貌的纳米金材料，如金纳米粒子、金纳米壳、金纳米棒、金纳米星等，均已被引入光驱动纳米马达体系的设计与制备之中。

通常，以聚乙二醇-b-聚苯乙烯为组装材料的聚合物囊泡具有相对刚性的膜结构，更易于利用溅射镀膜的技术构建金-聚合物杂化的聚合物囊泡。

然而，以可降解两亲性聚合物聚乙二醇-聚-D-乳酸为组装单元的聚合物囊泡，则具有相对柔性的膜结构，因此溅射镀膜技术在这种情况下将不再适用。

基于此，对聚乙二醇-聚-D-乳酸聚合物囊泡进行表面功能化将更具挑战性。

（来源：Nature Communications）

将不同外源“货物”送至细胞

据介绍，与其他类型的纳米马达（如化学驱动马达）相比，光驱动马达具有许多独特的优势。

首先，光驱动马达能够进行远程操控，无需直接接触，避免了接触性调控对运动行为的干扰，更适用于精细的生物医学应用。

其次，通过使用近红外激光，可实现组织深层穿透并获得光热响应性功能。

通过调节光源的强度、波长、入射光的角度等，可以精确调节纳米马达的运动行为及运动方向，使其能在复杂环境中发挥应用价值。

这些优势使光驱动纳米马达在生物医学和其他领域具有广泛的应用前景。

鉴于此，本课题致力于拓展“碗型”聚合物囊泡的应用领域，设计并制备光驱动聚合物纳米马达。

（来源：Nature Communications）

如前所述，受到课题组前期工作的启发，本次课题的初步设想是将金纳米粒子载入“碗型”聚合物囊泡的内腔中，制备由近红外激光驱动的纳米马达。

然而，考虑到光热转化效率，他们将研究重点从金纳米粒子的负载转向聚合物囊泡表面的金纳米粒子功能化。

通过静电相互作用及氢键相互作用，大量金纳米粒子被修饰于“碗型”聚合物囊泡的表面。

冷冻透射电子显微镜和低温断层扫描表征结果证明了金纳米粒子修饰的“碗型”聚合物囊泡的成功制备。

基于“碗型”聚合物囊泡自身的不对称结构，在近红外激光的照射下，这些囊泡能够转化为光驱动纳米马达。

通过单粒子追踪分析，他们发现金纳米粒子修饰的“碗型”聚合物囊泡具有超快的运动速度及精确可控的运动方向。

为揭示超快运动速度的机理，该团队对纳米马达表面金纳米粒子的尺寸和空间分布进行了详细和深入的分析。

结合理论模拟分析，课题组发现沿着“碗型”聚合物囊泡轴向存在温度梯度。该温度梯度的存在使纳米马达能够在近红外激光的激发下展现出超快的运动速度。

（来源：Nature Communications）

最后，他们对光驱动纳米马达在细胞内递送方面的应用进行了评价。

研究表明：纳米马达通过自主运动，可以快速打开细胞膜，将不同尺寸的外源“货物”快速、有效地递送至细胞中。

日前，相关论文以《超快光激活聚合物纳米马达》（Ultrafast light-activated polymeric nanomotors）为题发表在 Nature Communications。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

荷兰埃因霍芬理工大学博士生王建洪为第一作者，邵婧鑫博士和荷兰埃因霍芬理工大学扬·C·M·范·赫斯特（Jan C. M. van Hest）教授担任共同通讯作者。

图 | 王建洪（来源：课题组） 

基于该研究，他们将进一步拓展表面功能化的材料，如加入细胞靶向功能基团或细胞渗透肽等，以进一步增强光驱动纳米马达的生物医学功能。

同时，他们计划在“碗型”聚合物纳米马达的内腔中负载各种“货物”，并结合表面的功能基团，构建协同作用系统。

本次研究中的纳米马达主要依赖于单一的驱动力，后续研究中他们将设计多驱动力的聚合物纳米马达，以实现更加多样化和高效的应用。