科幻小说家想不出更疯狂的情节：微型机器人在血液或其他由光驱动的体液中流动，可以将药物运送到癌细胞并当场放下药物。这听起来像是一个牵强的幻想，它是现在发表在Science Robotics上的一个研究项目的简短摘要。工作中提出的微型游泳者有朝一日可以在不易接近的生物体或生物环境中执行任务。再往前看，游泳运动员也许有朝一日可以治疗癌症或其他疾病。
马克斯普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 及其邻近研究所 (马克斯普朗克固态研究所 (MPI-FKF) 展示了可以以前所未有的方式穿过生物体液和溶解血液的有机微粒。即使在非常咸的液体中，微型游泳者也可以通过可见光高速向前推进，单独或成群。此外，它们具有部分生物相容性，可以按需装载和释放货物。在 MPI-IS，由 Metin Sitti 领导的物理智能部门的科学家参与其中，在 MPI-FKF，由 Bettina Lotsch 领导的纳米化学部门的科学家参与其中。
到目前为止，设计和制造这种高度先进的微型游泳器似乎是不可能的。光能的运动受到水或身体中的盐分的阻碍。这需要复杂的设计，难以扩大规模。此外，从外部控制机器人具有挑战性并且通常成本高昂。受控货物吸收和现场交付是纳米机器人领域的另一项至高无上的学科。
科学家们使用了一种多孔的二维氮化碳 (CNx)，它可以由尿素等有机材料合成。就像光伏面板的太阳能电池一样，氮化碳可以吸收光，然后当光照亮粒子表面时，这些光会提供推动机器人前进的能量。
高离子耐受性
“在培养皿中进行实验或直接在皮肤下应用时，使用光作为推进能源非常方便，”MPI-FKF 纳米化学系组长 Filip Podjaski 说。“只有一个问题：即使是微量的盐分也会阻碍光控运动。盐存在于所有生物液体中：血液、细胞液、消化液等。然而，我们已经证明我们的 CNx 微型游泳器在所有生物体液中都能发挥作用。液体——即使盐离子的浓度非常高。这只有在不同因素的有利相互作用下才有可能：作为驱动力的高效光能转换，以及允许离子流动的纳米颗粒的多孔结构通过它们，可以说减少盐产生的阻力。
在证明游泳者具有耐盐性后，该团队随后应对了将它们用作药物载体的挑战。“由于材料的孔隙率，这也是可能的，”Varun Sridhar 解释说。他是 MPI-IS 的博士后研究员，也是该出版物的第一作者。他和他的团队用抗癌药阿霉素填充游泳者的小毛孔。“这些颗粒像海绵一样吸附了药物，高达载体质量的 185%，同时保持与氮化碳的稳定结合——甚至超过一个月。然后我们证明了药物的控制释放是可能的具有酸性 pH 值的液体。此外，无论 pH 值如何变化，我们都能够照亮微型游泳器，从而释放药物。即使在满负荷时，
在所需目的地控制和有效释放药物货物的能力是一项挑战。当遇到酸性条件时，例如在胃中发现的那些，药物会迅速大量解吸。然而，在身体的其他部位或生物环境中没有发现这种通常遇到的剧烈 pH 变化的情况。因此，需要其他外部释放触发器。
“我们发现，能够推动推进的蓝光照明同时释放了携带的药物，”Podjaski 解释说。“这对于靶向应用来说并不总是需要的，因为在粒子被推进的整个过程中都会发生药物释放。在这里，我们的新型氮化碳的内在充电能力开始发挥作用：当在缺氧(缺氧)环境中照明时，材料可以充电，内在地积累光能，类似于我们之前报道的太阳能电池。增强，对细胞产生有效作用。因此，材料的光充电能力，由缺氧条件决定，
该团队在与真实肿瘤细胞的实验中证明了这种相互作用。在他们的论文中，科学家们展示了他们如何照亮癌细胞附近负载多柔比星的氮化碳颗粒，以及药物如何被细胞释放和吸收，从而导致它们的衰变。
“我们的工作表明，使用长期已知、易于合成、丰富且多孔的微粒材料产生了多少意想不到的潜力，这些材料通常设计用于光催化应用，作为微型机器人材料，”Metin Sitti 说。
“多孔有机材料的性质本质上可以实现大的内部体积和表面积，从而为货物留下很大的空间，同时克服了光推进的限制，否则在离子存在的情况下会遇到这些限制。进一步定制分子位点可以实现更多的控制货物相互作用，没有任何特殊的形状设计或采用难以控制的封装结构。最后，使用影响光电材料特性的环境敏感特性变化的想法，由我们材料的固有光充电能力给出，似乎是一种有效的途径，不仅可以设计可控的，而且可以设计半自主的货物运输船，”Bettina Lotusch 说。
尽管微型游泳者是未来的愿景，并且只能在最佳条件下工作，但该研究中提出的基础研究可以为光控和生物相容性材料以及智能半自主系统铺平道路，其应用也可用于其他技术。“我们希望激发许多聪明人找到更好的方法来控制微型机器人和设计响应功能以造福我们的社会，”Sitti 总结道。
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