科学家用金属有机框架打造微纳机器人，能适应多种生物环境

近日，暨南大学王吉壮副教授和李丹教授团队提出一种微纳加工与界面自组装耦合的合成策略，采用可设计的光刻模板实现了金属有机框架磁控微纳机器人的可定制化构筑，并通过结合脂肪酶成功实现了甘油三酯的高效降解。这一策略不仅有效解决了金属有机框架微纳机器人灵活设计与精准操控的难题，同时推动了微纳机器人在精准医学与环境治理领域的进一步发展。

研究中，他们开发了利用微纳加工与界面自组装相结合的方法构筑磁控微齿轮机器人（MMWRs，manipulated microwheel-robots）的策略，该方法能够原位耦合磁性纳米粒子，并实现了可设计性结构的可控构造，比如圆形、方形、多齿轮结构等。

在各类微纳机器人的操控方式中，磁场驱动因其非侵入性、高精度控制及远程操控能力，被认为是最具潜力的驱动方案之一。该工作所构筑的金属有机框架微齿轮机器人能够通过可逻辑编程的三维亥姆霍兹磁操控装置实现多种可切换的运动模式、精准的磁操控和复杂的操作任务。如站立-躺下、原地的顺时针和逆时针旋转、轴向滚动和径向滚动以及跨越障碍等各种复杂操控，而且这些不同的运动方式可很好的适应多种生物环境。

在金属有机框架微齿轮机器人成功构筑和灵活操控的基础上，该工作也针对甘油三酯的降解进行了功能化设计。甘油三酯是人体内的重要脂类物质，其水平高低与心脑血管健康密切相关。作为血脂检测中的关键指标，甘油三酯的异常升高会显著增加动脉粥样硬化和心脑血管疾病的风险。因此，如何科学有效地调控甘油三酯水平成为医学研究的重要课题。

得益于运动诱导扩散与反应的正反馈机制，研究团队通过负载脂肪酶实现了对甘油三酯的增强降解效果。具体来说，磁操控能够精准的定位到甘油三酯，并能够实现收集和操控；此外，原位的旋转运动能够增强扩散作用，而脂肪酶催化反应的产物丁酸使得环境酸化，进而促进金属有机框架的分解，加速脂肪酶的释放，正反馈机制显著提高了甘油三酯的降解效率。基于金属有机框架的可定制构筑方法为功能性磁操控微纳机器人的发展提供了新的路径，有利于推进在相关疾病治疗或环境应用的发展。

在实际应用中，血流是一个不可忽视的重要因素，因此，在动态环境中的运动能力至关重要。结果显示，MMWRs 能够有效的在模拟血液中实现逆流运动。此外，研究团队采用了正电子发射断层成像技术（PET，Positron Emission Tomography）实现了对于对微纳机器人进行跟踪与定位，为深层组织的成像与运动实时检测提供了可能。

该成果虽然只展示了对甘油三酯的增强的降解，但是该工作中所开发的可设计性制备策略，能够为基于金属有机框架的微纳机器人的构筑和应用带来了新的可能性。在生物医学领域，该技术可以用于靶向药物递送，精准定位病灶区域并释放药物，从而提高治疗效果并减少副作用。在环境治理领域，该技术可用于处理水体中的污染物，通过磁操控实现污染物的精准收集和降解，能为水体修复和污染治理提供高效、可控的新方法。

微纳机器人是一类尺寸介于微米至纳米尺度的微型器件，能够高效地将外部能量转化为机械运动。因其微型化、精准操控和多功能性而备受关注，在生物医学、环境治理等领域展现出广阔的应用前景。

研究团队长期关注新型微纳机器人的开发，尤其是可定制化的设计，包括结构、操控方式以及功能性的灵活定制。其认为，这些方面的突破将为打造基于应用需求的功能微纳机器人奠定技术基础，推动其在实际应用中的发展。

作为一类具有高度设计灵活性的多孔材料，金属有机框架凭借其卓越的药物负载能力和灵活的化学响应特性，在靶向药物递送和环境修复等领域表现出显著优势。因此，金属有机框架材料被视为构筑微纳机器人的重要材料之一。

然而，目前基于金属有机框架的微纳机器人在可设计性构筑及应用导向的功能化设计方面仍面临诸多挑战。王吉壮对 DeepTech 表示：“我博士毕业于香港大学，师从唐晋尧教授，期间主要从事光驱动微纳机器人的开发与机理研究，那时我和同事主要是通过微纳加工的方法来制备太阳能电池结构的硅基微纳马达，这使得我积累了微纳加工的相关技术，为本项目的提出打下了基础。”

2020 年初，王吉壮入职暨南大学化学与材料学院，并加入了李丹教授的超分子配位化学研究所。自工作以来，王吉壮便开始关注微纳机器人应用领域的相关研究。同时，王吉壮深入探索了金属有机框架材料的设计及其广泛应用。

金属有机框架材料具有诸多显著优势，例如灵活的化学可设计性、高比表面积和可调节的孔结构等，这些特性使其在生物医学和环境等领域展现出独特且重要的应用价值。而这些应用方向与微纳机器人的研究应用目标高度契合。因此，他们开始关注将金属有机框架材料作为微纳机器人的主体材料展开研究。

经过细致的调研，研究团队发现基于金属有机框架材料的微纳机器人研究已经取得了不少令人瞩目的成果，这些成果充分展现了材料本身的优异性能以及微纳机器人独特的技术优势，进一步坚定了研究团队深入探索这一领域的决心。

与此同时，如前所述，他们发现了金属有机框架基微纳机器人在可设计性构筑及应用导向的功能化设计方面仍面临挑战。为此，研究团队在调研过程中也总结了金属有机框架材料界面合成以及膜材料等制备方法。此外，他们也关注到金属有机框架在合成过程中能够实现磁性纳米颗粒的原位嵌入。几个方面的结合使得研究团队开始了本课题的设计。

王吉壮表示：“在材料的选择与应用上，我受到了哈工大王磊教授关于脂肪酶马达工作的启发，而脂肪酶在降解甘油三酯的时候会产生酸性产物，这使我们联想到 pH 响应类的金属有机框架材料也许能够产生一个正反馈的效果。”而 ZIF-8 就是一种非常好的备选，在考察了其界面合成、生物兼容性、酸环境响应以及酶负载可行性的基础上，研究团队最终确定了以 ZIF-8 作为主体材料进行该课题的尝试。

之后，他们开始了不同光刻模板的设计与工艺条件探索，其中比较困难的是光刻工艺的优化，包括光刻胶厚度、图形尺寸、图案间隔等均进行了很多次的尝试，期间克服了容易褶皱、脆裂、材料支撑不够、脱模困难等一系列难题，最终确定了最佳的工艺参数，实现了可设计形状的可控制备。

解决了以上问题之后研究团队便开展了操控研究，通过可编程的三维亥姆霍兹磁操控平台探索了一系列的运动方式和操控性能。在此基础上开展了甘油三酯的降解探索，并研究了液滴操控、运动增强的降解效率以及 pH 正反馈效果等。

成像也是微纳机器人应用的关键问题之一。所以，研究团队也想更加直接地与成像技术耦合，以更好地验证实际应用的可行性。为此，他们开展了多方面的尝试包括荧光的引导等等，并尝试了浅层组织的显像技术。“而对于更深层组织的成像技术，则得到了上海科技大学熊泽研究员和罗宗化研究员给予的大力支持，通过 PET-CT 成像技术的耦合，进一步验证了其在生物体应用的可行性。”王吉壮表示。

日前，相关论文以《基于 MOF 的磁控微轮机器人用于甘油三酯降解》（MOF-based magnetically manipulated microwheel-robots for triglyceride degradation）为题发在Matter[1]。暨南大学研究生梁梓贤是第一作者，暨南大学王吉壮副教授和李丹教授担任共同通讯作者。

总的来说，本次研究旨在解决金属有机框架微纳机器人在可设计性构筑、精准操控及功能性应用等方面的难题，推动其在生物医学和环境治理领域的实际应用，为智能微纳机器人的开发和应用提供了相关参考。

目前，研究团队正在探索靶向药物递送和诊疗方面的工作，希望借助该金属有机框架微纳机器人平台实现更多的生物医学方面的特色应用。

参考资料：

1.Liang, Z., Zhang, J., Cao, Q., Li, W., Dai, Y., Zhao, Y., ... & Li, D. (2025). MOF-based magnetically manipulated microwheel-robots for triglyceride degradation.Matter.https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102198

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