游動(dòng)納米機(jī)器人是指能將周圍環(huán)境中存儲(chǔ)的化學(xué)能或其它形式能量轉(zhuǎn)化為自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的納米系統(tǒng)。由于游動(dòng)納米機(jī)器人能夠在各種生物介質(zhì)中進(jìn)行可控運(yùn)動(dòng)，有望在生物體中自主運(yùn)動(dòng)到正常藥物難以到達(dá)的組織部位，在主動(dòng)藥物運(yùn)輸和細(xì)胞手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而，距離游動(dòng)納米機(jī)器人的實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然面臨多重生物屏障等因素限制，尤其是血管系統(tǒng)為游動(dòng)納米機(jī)器人提供了天然的運(yùn)動(dòng)路徑，高速的血流環(huán)境依然會(huì)使游動(dòng)納米機(jī)器人失去取向和運(yùn)動(dòng)能力。因此，實(shí)現(xiàn)游動(dòng)納米機(jī)器人的逆血流運(yùn)動(dòng)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(yīng)復(fù)雜生物環(huán)境，演化出能夠在流動(dòng)環(huán)境中保持運(yùn)動(dòng)性能的方法。在流動(dòng)環(huán)境中，這些微生物頭部靠近非滑移邊界作為錨點(diǎn)，而尾部遠(yuǎn)離非滑移邊界被流場(chǎng)拖拽，從而在流場(chǎng)中完成重新定向過程。由于一直保持延長(zhǎng)軸方向運(yùn)動(dòng)，這些微生物重新定向后會(huì)進(jìn)行逆流運(yùn)動(dòng)，這種行為特點(diǎn)被科學(xué)家解釋并命名為“風(fēng)向標(biāo)”機(jī)理。
圖1金納米殼功能化聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人的構(gòu)筑及逆流能力
受此啟發(fā)，賀強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)基于可控組裝思路構(gòu)筑了金納米殼功能化的可進(jìn)行逆流運(yùn)動(dòng)的錐形聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人（圖1）。聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人的構(gòu)筑結(jié)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)游動(dòng)納米機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能。未經(jīng)金納米殼功能化的游動(dòng)納米機(jī)器人無法進(jìn)行自主定向運(yùn)動(dòng)。大端金納米殼功能化可使聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人保持小端朝前的運(yùn)動(dòng)取向，具有最大的能量轉(zhuǎn)化效率，將外加流體影響降至最低，其運(yùn)動(dòng)速度是小端金納米殼功能化聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人的3倍，可以克服血流進(jìn)行可控逆流運(yùn)動(dòng)（圖2）。這項(xiàng)工作通過改變金納米殼功能化位置，研究了密度不對(duì)稱和形貌不對(duì)稱性對(duì)游動(dòng)納米機(jī)器人逆流運(yùn)動(dòng)能力的影響，為游動(dòng)納米機(jī)器人在血流中的主動(dòng)靶向和清除血栓等應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。該工作以“Rational Design of Polymer Conical Nanoswimmers with Upstream Motility”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是國(guó)科溫州研究院助理研究員王位，通訊作者是賀強(qiáng)教授和吳志光教授。國(guó)科溫州研究院重點(diǎn)開展醫(yī)用生物材料、智能醫(yī)療裝備與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等具有重大臨床應(yīng)用前景的研究。該論文獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（22193033）和國(guó)科溫州研究院?jiǎn)?dòng)項(xiàng)目（WIUCASQD2021044）的資助。
圖2金納米殼功能化聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人逆血流運(yùn)動(dòng)
該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于模板輔助層層自組裝聚合物游動(dòng)納米機(jī)器人的最新進(jìn)展之一。生物體中的各種生物屏障會(huì)嚴(yán)重影響游動(dòng)納米機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的能力。團(tuán)隊(duì)發(fā)展了可控組裝方法，系統(tǒng)探索了聚合物游動(dòng)納米機(jī)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(yīng)殺死癌細(xì)胞（Small, 2016, 12(5), 577–582）；如何突破細(xì)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
