游动纳米机器人是指能将周围环境中存储的化学能或其它形式能量转化为自推进运动的纳米系统。由于游动纳米机器人能够在各种生物介质中进行可控运动，有望在生物体中自主运动到正常药物难以到达的组织部位，在主动药物运输和细胞手术等生物医学应用领域有广泛的应用前景。然而，距离游动纳米机器人的实际生物医学应用仍然面临多重生物屏障等因素限制，尤其是血管系统为游动纳米机器人提供了天然的运动路径，高速的血流环境依然会使游动纳米机器人失去取向和运动能力。因此，实现游动纳米机器人的逆血流运动十分重要。
在微观自然界，许多微生物如大肠杆菌和精子等为了适应复杂生物环境，演化出能够在流动环境中保持运动性能的方法。在流动环境中，这些微生物头部靠近非滑移边界作为锚点，而尾部远离非滑移边界被流场拖拽，从而在流场中完成重新定向过程。由于一直保持延长轴方向运动，这些微生物重新定向后会进行逆流运动，这种行为特点被科学家解释并命名为“风向标”机理。
图1金纳米壳功能化聚合物游动纳米机器人的构筑及逆流能力
受此启发，贺强教授研究团队基于可控组装思路构筑了金纳米壳功能化的可进行逆流运动的锥形聚合物游动纳米机器人（图1）。聚合物游动纳米机器人的构筑结合了模板辅助层层自组装和选择性金纳米壳功能化。研究表明，金纳米壳功能化位置影响声场驱动游动纳米机器人运动性能。未经金纳米壳功能化的游动纳米机器人无法进行自主定向运动。大端金纳米壳功能化可使聚合物游动纳米机器人保持小端朝前的运动取向，具有最大的能量转化效率，将外加流体影响降至最低，其运动速度是小端金纳米壳功能化聚合物游动纳米机器人的3倍，可以克服血流进行可控逆流运动（图2）。这项工作通过改变金纳米壳功能化位置，研究了密度不对称和形貌不对称性对游动纳米机器人逆流运动能力的影响，为游动纳米机器人在血流中的主动靶向和清除血栓等应用提供了研究基础。该工作以“Rational Design of Polymer Conical Nanoswimmers with Upstream Motility”为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者是国科温州研究院助理研究员王位，通讯作者是贺强教授和吴志光教授。国科温州研究院重点开展医用生物材料、智能医疗装备与精准医学等具有重大临床应用前景的研究。该论文获得国家自然科学基金（22193033）和国科温州研究院启动项目（WIUCASQD2021044）的资助。
图2金纳米壳功能化聚合物游动纳米机器人逆血流运动
该工作是团队近期关于模板辅助层层自组装聚合物游动纳米机器人的最新进展之一。生物体中的各种生物屏障会严重影响游动纳米机器人执行任务的能力。团队发展了可控组装方法，系统探索了聚合物游动纳米机器人的药物装载及释放能力（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）；通过光热效应杀死癌细胞（Small, 2016, 12(5), 577–582）；如何突破细胞膜屏障（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 6601–6608）。
原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01979
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