游動納米機器人是指能將周圍環境中存儲的化學能或其它形式能量轉化為自推進運動的納米系統。由于游動納米機器人能夠在各種生物介質中進行可控運動，有望在生物體中自主運動到正常藥物難以到達的組織部位，在主動藥物運輸和細胞手術等生物醫學應用領域有廣泛的應用前景。然而，距離游動納米機器人的實際生物醫學應用仍然面臨多重生物屏障等因素限制，尤其是血管系統為游動納米機器人提供了天然的運動路徑，高速的血流環境依然會使游動納米機器人失去取向和運動能力。因此，實現游動納米機器人的逆血流運動十分重要。
在微觀自然界，許多微生物如大腸桿菌和精子等為了適應復雜生物環境，演化出能夠在流動環境中保持運動性能的方法。在流動環境中，這些微生物頭部靠近非滑移邊界作為錨點，而尾部遠離非滑移邊界被流場拖拽，從而在流場中完成重新定向過程。由于一直保持延長軸方向運動，這些微生物重新定向后會進行逆流運動，這種行為特點被科學家解釋并命名為“風向標”機理。
圖1金納米殼功能化聚合物游動納米機器人的構筑及逆流能力
受此啟發，賀強教授研究團隊基于可控組裝思路構筑了金納米殼功能化的可進行逆流運動的錐形聚合物游動納米機器人（圖1）。聚合物游動納米機器人的構筑結合了模板輔助層層自組裝和選擇性金納米殼功能化。研究表明，金納米殼功能化位置影響聲場驅動游動納米機器人運動性能。未經金納米殼功能化的游動納米機器人無法進行自主定向運動。大端金納米殼功能化可使聚合物游動納米機器人保持小端朝前的運動取向，具有最大的能量轉化效率，將外加流體影響降至最低，其運動速度是小端金納米殼功能化聚合物游動納米機器人的3倍，可以克服血流進行可控逆流運動（圖2）。這項工作通過改變金納米殼功能化位置，研究了密度不對稱和形貌不對稱性對游動納米機器人逆流運動能力的影響，為游動納米機器人在血流中的主動靶向和清除血栓等應用提供了研究基礎。該工作以“Rational Design of Polymer Conical Nanoswimmers with Upstream Motility”為題發表在《ACS Nano》上。文章第一作者是國科溫州研究院助理研究員王位，通訊作者是賀強教授和吳志光教授。國科溫州研究院重點開展醫用生物材料、智能醫療裝備與精準醫學等具有重大臨床應用前景的研究。該論文獲得國家自然科學基金（22193033）和國科溫州研究院啟動項目（WIUCASQD2021044）的資助。
圖2金納米殼功能化聚合物游動納米機器人逆血流運動
該工作是團隊近期關于模板輔助層層自組裝聚合物游動納米機器人的最新進展之一。生物體中的各種生物屏障會嚴重影響游動納米機器人執行任務的能力。團隊發展了可控組裝方法，系統探索了聚合物游動納米機器人的藥物裝載及釋放能力（ACS Nano, 2012, 6, 10910-10916）；生物相容性及生物可降解性（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 7000 –7003）；如何避免免疫清除（ACS Nano, 2014, 8, 6097-6105）；通過光熱效應殺死癌細胞（Small, 2016, 12(5), 577–582）；如何突破細胞膜屏障（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6601–6608）。
原文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01979
