科幻变现实？液态游动金属纳米机器人用于癌症主动联合治疗|哈工业大贺强团队新进展

研究背景

1966年，美国科幻电影《神奇旅程》描述了五名医生乘坐的飞艇被缩小后注射到人体内进行血管手术的场景，首次将微型机器人概念展示到普罗大众的面前。近二十年来，科研工作者一直试图通过设计能够将环境中化学能、磁能、电能、光能、超声能等能量转化为机械运动的游动纳米机器人，将科幻小说和电影中表述的场景转变为现实，执行药物靶向递送、癌症治疗、微手术等生物医学任务。然而如何提高游动纳米机器人的生物相容性、抗血液污损能力和药物携载能力、癌细胞治疗效果是游动纳米机器人面向未来生物医学应用所面临的挑战。

电影《神奇旅程》海报

研究进展

液态金属镓是一种室温下呈液态的金属材料，具有良好的生物相容性、可降解性以及流动性等特点，被认为是制备生物医学应用游动纳米机器人的理想材料。贺强教授研究团队以液态金属镓为材料，通过结合纳米孔模板塑性成形和细胞膜包覆技术实现了白细胞膜表面伪装液态金属镓针状游动纳米机器人的批量制造。由于过冷效应，内核的镓在室温下依然呈液态，但是在弱酸性环境中随着保护层氧化镓的溶解，这些液态金属游动纳米机器人呈现出由针状到球形液滴的转变。同时修饰在氧化镓保护层上的环糊精能够高效装载并pH响应性释放抗癌药物阿霉素。此外，液态金属游动纳米机器人具有全波长光吸收，具有应用于癌症的光热治疗的潜能 (图1)。

图1 液态金属镓针状游动纳米机器人的制备与表征

血液污损是游动纳米机器人进入血液后面临的首个生物屏障。针对这一难题，他们将细胞膜伪装策略引入到游动纳米机器人的制备中。研究结果表明，由于表面的白细胞膜伪装，液态金属游动纳米机器人在外源超声场作用下不但可以在水中进行类似细菌游动的推进运动，而且能够抵抗血液污损在血液中进行快速运动 (图2)。

图2液态金属游动纳米机器人在血液中的运动

表面修饰的白细胞膜可以还可以通过与癌细胞的特异性识别作用加速进入癌细胞，同时负载抗癌药物阿霉素的液态金属游动纳米机器人展现出良好的癌细胞药物和光热联合治疗能力。一方面可以利用液态金属镓的光吸收性质，通过施加近红外红外光辐照产生的光热效应杀死癌细胞；另一方面可以通过响应性释放装载的抗癌药物阿霉素实现癌细胞的药物治疗 (图3)。

图3液态金属游动纳米机器人的癌细胞药物-光热联合治疗

未来展望

基于纳米孔模板塑性成形和细胞膜包覆技术，作者制备了一种超声驱动的液态金属游动纳米机器人。该液态金属游动纳米机器人具有良好的抗血液污损、癌细胞药物和光热联合治疗能力。这种集驱动运动、变形-融合、药物装载、光热吸收和抗血液污损能力的液态金属游动纳米机器人有望为新一代游动纳米机器人设计提供新的研究思路，在癌症的主动协同治疗中具有巨大的应用潜能。

作者简介

贺强，哈尔滨工业大学教授，致力于胶体马达以及生物医用游动纳纳米机器人的研究，已在Science Robots, Angew.Chem., J.Am.Chem.Soc., Adv.Mater.等国际著名学术期刊发表150余篇论文。

往期回顾