最新Chem. Rev.綜述： “點亮”微納機器人

NanoCJ

【導讀】

微/納機器人（Micro-/nanorobots，MNRs），能夠將其他形式的能量轉換為動能并實現自主運動的微/納米器件。這類器件有望在傳感、顯微外科手術、藥物輸送、無創或微創診斷和治療等方面發揮巨大作用。1959年，理查德·費曼提出了使用MNRs治療疾病的構想。而在電影《夢幻之旅》和《終結者》中也描述了MNRs進入人體血管進行主動靶向運輸、跨越生物屏障、執行細胞手術和其他生物醫學任務的場景。2016年諾貝爾化學獎授予了索瓦奇、斯托達特和費林加，表彰的正是他們在分子機器設計和合成方面做出的開創性貢獻。如今，在研究人員的不懈努力下，基于不同的推進機制已經開發出了各式各樣的MNRs。一般來說，這些器件由局部獲得的燃料提供化學動力，或由磁場、光、 超聲波、和電場等外部場提供物理動力。此外，天然微生物或細胞也可利用自身趨化性發揮微/納米機器人的作用。微/納米機器人的設計、制造和操作方面的快速發展極大地增強了其能力、功能和多樣性。總之，這些微型機器具有理想的小尺寸、方向和速度可控性，以及執行多項任務的良好能力，在生物醫學領域展現出了巨大的應用潛力。

圖1.熒光MNRs從實驗室到臨床應用展望。? 2022 American Chemical Society

目前，生物醫學應用中MNRs的最大挑戰之一是在體內實現實時成像和跟蹤。為了克服這一挑戰，研究人員采用多種成像技術，包括熒光成像（FI）、磁共振成像（MRI）、超聲成像（USI）、計算機斷層掃描（CT）和光聲成像（PA）等以探索MNRs實時成像的可能性。其中，MNRs的熒光成像技術是通過使用熒光物質對其進行功能化來實現，這不僅賦予MNRs高時空可追蹤性，而且還可賦予它們在復雜生物環境中的環境敏感性和化學/光子誘導治療能力。另一方面，MNRs使熒光具有移動性和外部導航能力，實現了復雜生物環境中的運動靶向行為。鑒于上述組合和協同特性，研究人員通過將熒光結合到MNRs中構建了熒光MNRs體系，有望解決MNRs在實際和現實應用中的挑戰，如成像引導藥物遞送、智能飛行傳感和靶向光（化學）治療。

【成果掠影】

近期，武漢理工大學的官建國教授和牟方志研究員（通訊作者）等人撰寫了最新綜述文章，對熒光MNRs的發展進行了概述。本綜述首先闡述了具有不同推進機制的MNRs和熒光基本知識（重點是熒光機制及相關材料），隨后系統地闡述了可將MNRs與熒光物質進行整合的設計和制備策略及其在成像引導藥物遞送、智能實時傳感和光（化學）治療等方面的應用。最后，作者還總結了該領域的主要挑戰，并對熒光MNRs的未來發展進行了展望。這項工作有望吸引和激勵來自不同領域的研究人員共同推動熒光微納機器人的設計和實際應用。該文第一作者為楊滿義，文章以題為“Lighting up Micro-/Nanorobots with Fluorescence”發布在國際著名期刊Chemical Reviews上。

【亮點】

基于過去二十年的發展歷程，該綜述系統地闡釋了熒光微納米機器人的最新研究進展，不僅詳細介紹了制備策略上的優化和進步，還全面梳理了其在生物醫學領域的應用開發情況。

【圖文解讀】

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圖2. 各類MNRs。? 2022 American Chemical Society

圖3. 熒光原理與傳感機制。? 2022 American Chemical Society

圖4. 熒光MNRs的制備方法。? 2022 American Chemical Society

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表1.MNRs的成像技術。? 2022 American Chemical Society

表2.MNRs成像引導藥物遞送系統。? 2022 American Chemical Society

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圖5.MNRs作為智能診療平臺的未來發展方向。? 2022 American Chemical Society

【結論與展望】

盡管熒光MNRs取得了巨大進展，但在實現其實際應用之前，仍有一些挑戰需要解決。首先，由于缺乏深組織高分辨率熒光成像技術，以及體內異質和動態環境的復雜性，熒光MNRs的成像引導藥物遞送研究主要集中于體外實驗，難以擴展到體內。其次，在動態原位傳感中，迄今為止設計的熒光MNRs主要基于傳統熒光材料，僅顯示出微弱的熒光信號和簡單的“關-開”響應，難以滿足器件開發需求。此外，對于熒光MNRs的檢測限、選擇性和可逆性，也還沒有深入的研究。最后，用于光（化學）療法的熒光MNRs僅在體外實驗中被證實有效，而其它可能的功能（如熒光診斷）目前還未被開發。

未來，熒光MNRs將成為智能疾病治療平臺。為了實現這一目標，需要解決一系列挑戰，具體有以下幾個方面：（i）需要設計具有長期生物成像穩定性和體內高分辨率可追蹤性的熒光MNRs；一種可能的方法是利用新興熒光材料，如AIE熒光和長余輝材料。(ii) 需要設計在生物組織光學窗口中工作的熒光MNRs；有了這個特性，當執行體內任務時，可以在深部組織中對其進行跟蹤和操控。同時，結合熒光、CT、超聲、磁共振、PET和/或SPECT的多模態成像技術可以協調每種成像技術的各自優點并克服各自的局限性，從而改善熒光MNRs的體內可追蹤性并有望加速其臨床轉化。（iii）開發具有多熒光發射的熒光MNRs。如果裝載多種或多功能的熒光物質，熒光MNRs可能會顯示多種熒光發射，因此可以使用多種高分辨率成像技術進行跟蹤。同時，具有多熒光發射的熒光MNRs可以作為多功能移動傳感器，可以同時檢測多個目標，并集成多種功能，例如成像、傳感和治療。（iv）開發熒光MNRs的自主體內導航技術；熒光MNRs可以提供實時熒光信號，報告其在體內復雜生物環境中的位置、方向和分布。（v）開發生物能源驅動的熒光MNRs；目前，MNRs在體內的推進主要依賴于外場或外源性化學物質。而由生物能量（如體溫、肌肉機械能和內源性化學物質（如CO₂、葡萄糖、尿素、脂肪和ATP）提供動力的熒光MNRs非常適合各種體內生物醫學應用。（vi）開發對低濃度內源性化學物質響應的趨化熒光MNRs，賦予其超靈敏趨化性。（vii）開發具有集體協同功能的群集熒光MNRs；與單個熒光MNRs相比，集群MNRs將表現出協調的運動行為和涌現性功能，如熒光增強、驅動增強和重構變形能力等。

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團隊介紹：

官建國教授團隊自2012年開始致力于研究微納米馬達（機器人），在其生物相容性、運動可控性和智能尋靶特性等方面取得了重要原創性成果。他們發展了以水為燃料的生物相容鎂基微米馬達（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7208, ?http://dx.doi.org/10.1002/anie.201300913; Research 2020, 2020, 6213981, https://doi.org/10.34133/2020/6213981.），智能趨光性TiO₂微米馬達及其集群（Adv. Mater. 2017, 29, 1603374, http://dx.doi.org/10.1002/adma.201603374; Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 6905, http://dx.doi.org/10.1039/C7CS00516D.），和以生物體內源性物質為燃料的自取向趨化性微納米馬達（Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwab066, https://doi.org/10.1093/nsr/nwab066.）等。

官建國

官建國，武漢理工大學材料學科首席教授、材料復合新技術國家重點實驗室副主任，科技部重點領域“極端環境服役功能復合材料”創新團隊負責人。主持承擔國家重點研發計劃和863計劃等國家級重要科研項目20余項；提出磁介電吸波和多機理吸波超材料設計方法，構建“薄、輕、寬、強”吸波與電磁屏蔽涂層材料，在10余個國家重要工程上實現規模化應用和產業化；提出空間位阻型磁性光子晶體與納米光子鏈概念，研制出可實用化的光子晶體防偽油墨；發現趨光性人工微納米馬達，實驗證實自驅動微納米馬達趨化性的物理化學機制。在Natl. Sci. Rev.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.等國際知名期刊發表高水平論文300余篇，授權發明專利56項。兼任2個全國學會常務理事和多個國際學術期刊編委，指導培養碩士博士研究生和博士后180余名。獲多項榮譽稱號和獎勵，包括國家“萬人計劃”科技領軍人才、教育部“長江學者”特聘教授、新世紀百千萬人才工程國家級人選，英國皇家化學會會士，中國微米納米技術學會會士，高等教育國家級教學成果獎二等獎，軍隊科技進步一等獎，湖北省技術發明一等獎、教育部自然科學二等獎等9項國家和省部級教學科技成果獎勵。

牟方志

牟方志，國家高層次青年人才，湖北省杰出青年基金獲得者，現任武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室研究員，博士生導師。主要從事微納米機器人研究，重點關注微納米機器人的驅動原理、相互作用、集群行為等基本科學問題，致力于發展仿生智能微納米機器人的生物醫學與微操縱應用研究。主持并承擔了國家級省級重要科研項目10余項，現已在Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Research等國際權威學術期刊上發表學術論文60余篇。

課題組主頁：http://guan.group.whut.edu.cn/