AIRS王潇朴博士团队ACS Nano 最新综述: 受了“刺激”的微/纳米机器人

【导读】

微/纳米机器人，是指具有纳米级到微米级尺寸、能够将其他形式的能量转化为机械能并实现自主运动的装置。刺激响应功能型微/纳米机器人 (Stimuli-responsive functional micro-/nanorobots; srFM/Ns), 是指可以通过响应外部刺激（磁场、超声波、光/温、或化学/生物等）来完成不同任务（癌症治疗、药物输送、生物传感、环境净化、抓手）的功能型微/纳米机器人。

感谢那些刺激，让我羽翼丰满

近期，深圳市人工智能与机器人研究院(AIRS)微纳机器人中心的王潇朴博士项目组联合包括Bradley J. Nelson 教授（ETH Zurich）在内的多名教授，系统总结了刺激响应功能型微纳机器人（srFM/Ns）的最新研究进展，论述了各类srFM/Ns的刺激响应机理、功能与应用、以及各种刺激响应模式的优缺点，并在结论与展望中阐述了srFM/Ns实际应用所面临的挑战以及相应的进一步发展策略。该综述以“Stimuli-Responsive Functional Micro-/Nanorobots: A Review”为题发表在ACS Nano 期刊。

模块一：讨论这些srFM/Ns的各种响应机制，以帮助理解它们的设计原理。

该综述论述了刺激响应功能微/纳米机器人（srFM/Ns）最新进展，主要从响应机理、应用以及挑战/机遇三个模块展开探索。

目前，srFM/Ns主要包括温度、光、pH、超声、磁、生物和离子型。迄今为止，研究和报道最多的是温度响应srFM/Ns和光响应srFM/Ns。温度响应 srFM/Ns的机理主要分为：①聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）基热敏水凝胶的收缩/溶胀；②液晶弹性体（LCE）的分子重组。基于光热效应，许多温度响应srFM/Ns 通常也是光响应srFM/Ns。除此之外的光响应srFM/Ns机理主要有：①光敏分子（例如偶氮苯和邻硝基苄基）在光照下化学键断裂；②半导体在光激发下发生氧化还原反应。对于pH响应srFM/Ns，其响应机理包括：①pH引起的敏感单元（例如酰胺、亚胺）水解；②pH调节羧基类响应基团间的分子间作用力。超声响应srFM/Ns的机理主要包括：①空穴效应；②声流效应。磁场响应srFM/Ns的机理主要包括：①磁场转化为电信号刺激细胞定向分布；②以磁场为辅助方式调节微/纳米机器人的运动。生物响应srFM/Ns的机理主要涉及：①酶促反应；②生物信号分子响应。最后，离子响应srFM/Ns的机理主要分为：①离子交换；②螯合作用。以上各种响应机理的示意图如图1所示。

图1. 刺激响应功能型微/纳米机器人响应机理总括。

模块二：讨论srFM/Ns的功能/应用

刺激响应功能型微/纳米机器人（srFM/Ns）是一类智能、高效、有前途的微型机器人，可以对外界刺激（如温度、光、超声、pH、离子和磁场）做出反应（膨胀/收缩、形状/大小变化、键断裂和机械运动），并执行指定的任务。通过适应性转化为相应的功能形式，可以完美匹配不同应用的需求，在药物输送、生物传感、环境净化、仿生运动、抓手、及软体微型机器人等领域发挥着极其重要的作用。

图2. 刺激响应功能型微/纳米机器人功能/应用举例。

模块三：在结论与展望中，强调了 srFM/Ns 现有的挑战，并提出了进一步发展策略，以帮助加快该领域的研究并促进 srFM/Ns 走向实际应用。

srFM/Ns在应对复杂的运动环境以及到达目标地点后灵活地完成指定任务方面展现出巨大的优势。然而，srFM/Ns的临床转化仍存在许多挑战。首先，一些srFM/Ns可能涉及复杂的合成步骤，这对规模化和商业化具有挑战性。为了克服这一挑战，可以采用激光3D打印等先进制造技术等方法简化制备方案。其次，一些srFM/Ns的刺激响应性能选择性较差。尽管定制的响应性微结构可以成功地响应某些与疾病相关的特征，但这些特征通常不是病变部位独有的，这可能会降低在高度复杂的身体环境中的选择性。针对这一挑战的可能策略包括分析 srFM/Ns 的响应机制、优化结构设计以提高响应灵敏度及选择性。第三，一些可变形的srFM/Ns在保持目前形状可变的优异性能前提下，其机械性能需要进一步增强，以适应实际应用。提高交联密度和调整原材料的杂化比是提高其机械性能的有效途径。第四，缺乏具有良好生物安全性的srFM/Ns阻碍了其在生物医学领域的进一步应用。充分利用报道的生物安全性材料（例如，GelMA和PLGA等水凝胶；肽；生物有机体等），并将天然生理相关机制整合到开发具有良好生物安全性的微/纳米机器人中，是应对这一挑战的重要解决方案。最后，从srFM/Ns的临床应用角度来看，srFM/Ns的可视化是实现其体内靶向药物递送的关键因素。多模态成像技术以及通过优化和使用不同的成像方法来帮助实现微/纳米机器人的体内可视化可能是目前比较合适的策略。

微/纳米机器人虽然具有广阔的应用前景，但仍处于起步阶段，跨学科合作可以促进其快速发展。随着化学、物理、生物学领域研究人员不断地构建与加固生物纳米技术与医疗需求之间的桥梁，srFM/Ns的设计及其在药物输送、组织工程、仿生研究等领域的潜在应用将得到进一步开发。我们相信，在研究人员的不懈努力下，高效、智能、生物相容的微/纳米机器人的开发将促进srFM/Ns取得革命性进步。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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