浙江
自推进式自主纳米马达能够将能量转化为机械运动，由于其在生物医学应用方面的巨大潜力而受到越来越多的关注。与传统的纳米载体系统（没有推进功能）相比，活性颗粒可以更有效地与细胞结合，并可以直接跨细胞膜转移。在过去十年中，人们设计了各种纳米马达，例如光推进纳米马达、气泡驱动纳米马达和葡萄糖辅助双金属纳米马达。其中超高速纳米马达可以实现更好的组织穿透、更有效的细胞内药物输送以及增强目标区域的积累。此外，由于空间和时间控制，光驱动纳米马达得到了深入研究。特别是金纳米马达已被研究，迄今为止，多种金形貌已通过共价结合或溅射涂层技术引入纳米马达系统，包括球体、壳、棒和星形。然而，现有的纳米马达系统仍然存在一些技术挑战。首先，难以控制金在纳米马达载体上的空间位置。其次，大多数基于金的结构都大于10 nm，而减小尺寸可能对能量转换效率和纳米医学中的许多应用非常有益。此外，较小尺寸的粒子将允许更可控地将这些活性成分沉积在纳米马达底盘上。
为了解决上述问题，作者通过利用具有非对称结构的生物可降解的聚合物囊泡为模板，通过原位生长的方式将5纳米的金纳米颗粒高效的包覆在聚合物囊泡表面，在激光的照射下，形成的马达展现出了优异的运动能力，并且细胞实验结果也验证其具有优异的肿瘤渗透和活性运输药物的性能。相关成果以“Ultrafast light-activated polymeric nanomotors”为题的研究论文发表在国际著名期刊《Nature communications》上。第一作者为荷兰埃因霍温理工大学博士研究生王建洪，共同第一作者为荷兰埃因霍温理工大学博士后吴杭隆（现为MIT博士后），通讯作者为荷兰埃因霍温理工大学博士后邵婧鑫和Jan van Hest教授。并且该项目得到了北京航天航空大学朱晓威教授和四川大学操守鹏教授的大力支持。
在这项工作中，生物可降解的聚合物囊泡是被用作模板制备马达，球形的聚合物囊泡可以形变形成非对称结构的囊泡，这种非对称结构可以使得产生的热量在纳米粒子非对称分布进而驱动纳米颗粒运动。然后通过非共价作用将金纳米颗粒成功的吸附在具有碗状结构的生物可降解的聚合物囊泡表面。这项工作为使用生物可降解的软材料设计纳米马达带来一种新的思路。通过运动分析，光驱动的纳米马达在水和生物培养基（PBS 和 DMEM）中都表现出优异的运动能力。为了解释这一特性，定量低温电子断层扫描(cryo-ET)显微镜是被用来表征纳米马达的三维形态，结果表明碗状口状细胞的金纳米粒子沿 z 轴方向排列不对称，导致激光照射时等离子体加热分布不均匀。因此，金口状细胞表现出高速定向运动。纳米马达可以通过机械作用直接穿过细胞膜将药物运送到细胞内，因此展示其在生物医学应用方面的潜力。
图一基于生物可降解的光驱动的超快纳米马达的制备示意图
通过原位生长的方法制备了Au-stomatocyte纳米马达之后，作者对该马达的运动性能进行了分析和表征。相比于对照组，制备的马达展现了优异的运动能力，其速度和运动方向可以被激光的强度和方向调控。然而，在激光的照射下，对照组的纳米颗粒仅仅只观察到增强的布朗运动。Au-stomatocyte的结构具有很好的稳定性，激光照射之后仍能保持良好的结构。更重要的是Au-stomatocyte在生物环境中也展示了优异的运动能力。
图二纳米马达的运动分析
为了深入的探索为什么Au-stomatocyte马达具有高速可控的运动性能， 其三维结构是被进一步表征和分析的。通过定量低温电子断层扫描(cryo-ET)显微镜对金纳米颗粒的三维空间分布进行表征和分析，结果表明碗状口状细胞的金纳米粒子沿 z 轴方向排列不对称，导致激光照射时等离子体加热分布不均匀。再者，基于cryo-EM的温度分布的模拟结果也证实了温度梯度的存在。因此，Au-stomatocyte马达表现出高速定向的运动。
图三 金纳米颗粒的三维空间分布
随后，Au-stomatocyte纳米马达的运动性能是进一步在细胞内被验证的。在激光照射下，Au-stomatocyte纳米马达展现了增强的细胞摄取并且可以进入到细胞球的内部。再者Au-stomatocyte纳米马达可以通过机械力破环细胞膜将不同尺寸的药物递送到细胞内。因此展现出了巨大的生物应用潜力。
图四 纳米马达活性运输药物
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文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49217-w
来源：高分子科学前沿
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