天大团队研发完全有机的光驱动纳米马达，在光控下可有效穿透多重生理屏障，将药物定向...
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麻省理工科技评论-天大团队研发完全有机的光驱动纳米马达，在光控下可有效穿透多重生理屏障，将药物定向输送到肿瘤深处
在自然界，由蛋白等功能生物大分子组成的纳米尺寸的分子马达，可以将外部能量转变为机械能。生命体的很多功能行为，比如物质运输、肌肉收缩等，都可追溯到分子马达的推送作用。而最近几年，纳米技术的蓬勃发展为构建自推进人工纳米马达创造了便利条件。
在所有外界能量供应中，光能具有远距离无创穿透的特点，其可对人工纳米马达进行远程遥控以实现纳米药物在体内的定向运输。光吸收重金属，是常见的光热机理动力引擎，它可驱动纳米马达在溶液中热泳，因其运动机理与周围化学物质无关可广泛适用于多种复杂环境。
然而，不可降解的重金属纳米粒导致的生物安全性问题限制了其实际应用。基于此，天津大学化工学院高分子科学与工程系副教授闫熙博团队，在一项工作中利用具有光响应性能的偶氮苯基聚合物聚集体，作为光驱动有机高分子引擎，通过纳米沉淀技术将其和多种功能高分子进行纳米尺寸可控组装，制备出具有不对称形貌的有机高分子纳米马达，它具有生物相容性特点。
一方面，有机高分子引擎可通过光热转换为纳米马达的热泳提供动力；同时，光异构化内部质量迁移引起的形变可进一步促进马达推进，从而通过偶氮苯基聚合物引擎将光能转变为机械能，驱动纳米马达在溶液中定向运动。
从应用上，这款完全有机的光驱动纳米马达，在紫外光遥控下有效穿透多重生理屏障，将抗癌药物定向输送到肿瘤组织内部，最终显著提高其抗癌活性。与常规纳米马达中高分子只作为光热重金属引擎的支撑结构不同的是，该纳米马达实现了和天然分子马达一样的能力——可通过功能高分子本身实现能量转换以驱动其运动，这为设计和构建多功能纳米马达提供了新思路。
近日，相关论文以《用于光驱动货物运输的偶氮苯聚合物引擎驱动的有机纳米马达》（Azobenzene-bearing polymer engine powered organic nanomotors for light-driven cargo transport）为题，发表在 Chemical Engineering Journal 上。
闫熙博表示：“有的审稿人对于我们提出的纳米沉淀制备方法印象深刻，评价称这是一个将不同结构和功能聚合物组装在一起的以制备不对称高分子纳米马达的非常便捷的方法。有的审稿人认为我们提出的具有光驱动运输能力的高分子纳米马达，将在生物体系中起到重要的作用。除此之外，审稿人在实验和表征方面的专业建议，对最终工作呈现也起到了很大的帮助作用。因此，我们团队非常感谢所有参与到我们文章评审的审稿人。”
据介绍，该研究是闫熙博回国入职天津大学后指导的第一个研究生的工作，从开始着手到最终发表论文总跨度大约两年。可以说是摸索着前进，最初的研究目的只是单纯地探索聚偶氮苯基聚合物的独特光响应性质，看是否能作为光响应动力供应组件驱动的纳米尺寸材料，从而在溶液中实现自主运动。这样探索的主要原因，是因为该聚合物引擎具有光热转换和光异构质量迁移两种有趣的能量供应模式。
因此，他们花了大量时间去探索每一种光响应性质对于其运动的贡献，最终发现直接光照这种最简单的模式，可以充分利用两种光响应性质，并实现高分子纳米马达的光驱动推进。
在完成这部分工作后，该团队其实已经准备发表论文。后来，他们和一些资深学者讨论后，大家一致认为这种有机高分子作为“引擎”的光热驱动有机纳米马达，在生物医药领域应用上会有很大优势。
因此，他们又开始了后续的体内外实验的设计与测试。相比于金属材质的光驱动纳米马达，聚偶氮苯基纳米马达的光热温度不高，可在光驱动热泳的条件下，尽量避免过高的光热温度对于正常组织的损伤，使其更适合在复杂的生物体内执行光驱动药物运输的工作。
而简便的纳米沉淀组装方法，又可以让所需运输货物的自由选择得到充分保证。最终，体内实验也证实了聚偶氮苯基纳米马达的光驱动药物运输，可以显著提高负载药物的抗癌活性。
谈及应用，他表示：“我们课题组这部分工作现阶段仍处在初步的基础研究中。关于应用前景，我觉得还有很多路要走。就像我们在这篇论文结尾中指出的，首先我们要将我们的功能转换部件，也就是偶氮苯基聚合物的光驱动波长，从高能量的紫外光转变为生物相容性更好的红外光。”
虽然该团队在论文中也证明了所采用的短时间的 UVA 紫外光照条件，对小鼠皮肤等组织具有生物安全性。但是，红外光在远距离无创深度穿透方面的表现，会更具有临床前景。
这些都需要他们在聚合物合成上进行努力，这也恰恰是高分子的优势——即在结构、性质和功能上的高度的灵活性，只需要在有机合成上进行部分结构改造，就可以很容易地扩展偶氮苯基聚合物的光响应性能。因此，课题组非常看好光驱动高分子纳米马达在生物医药领域的应用潜力。
下一步，在构建具备运动能力和操控能力的高性能光驱动高分子纳米马达方向上，他们会继续进行研究。目前，课题组的主要工作是发掘更多种类的、能提供纳米马达动力的光响应高分子引擎，以期实现光驱动高分子纳米机器人“速度更快、操控性更高和性能更强”的目标。
例如，其最近发表在 Small 上的题为《用于可编程增强抗肿瘤疗效的光驱动有机纳米机器》（Photoactivated organic nanomachines for programmable enhancement of antitumor efficacy）的论文，可在纳米尺度上将有机半导体聚合物和大分子抗癌活性物质，组装为 808 纳米红外光驱动的高分子纳米马达。另据悉，现阶段该团队通过半导体聚合物聚集体光热效应，可为纳米马达在溶液中的热泳提供能量。
不同于偶氮苯基聚合物的光热和光异构效应协同驱动药物运输，半导体聚合物纳米粒高效的光热效应可直接通过热熔杀死癌细胞，也就是这种纳米马达可以在药物运输过程中实现光/化学的协同治疗。
不仅如此，纳米马达属于纳米机器人，机器人最大的优势应该是对其行为的可编程性。现有的抗癌纳米药物的策略，主要是利用高能量强度下（高光热温度或/和高抗癌药载药）杀死或抑制肿瘤组织。
而闫熙博团队是利用半导体高分子纳米马达的光热稳定性、和良好的肿瘤组织渗透能力，在肿瘤微环境中对纳米马达的启停运动进行编程控制，最终在低能量强度下即低光热温度和低载药量下，显著提高其抗癌效率。
同时，他表示一个有意思的项目从设计到最终实现，很大程度上都取决于具体执行人。其表示：“这篇论文的两个共同第一作者，熊祥宇和黄兴都是从他们硕士研究生一年级就开始了这个项目的研究工作，他们两个都是完完全全的科研新人。”
由于闫熙博课题组也是刚刚建立，他们没有师兄师姐可以直接临场咨询，虽然他们总会对课题细节进行讨论，但仍然有很多具体的实验问题，只能由两个人独立摸索中前进，最终都完成的很好。他俩也都展示出了极高的探索科学问题和解决实际科研问题的热情，这也是这个课题最终能够完成的最关键的因素。
-End-
参考：
1、Xiong, X., Huang, X., Liu, Y., Feng, A., Wang, Z., Cheng, X., ... & Yan, X. (2022). Azobenzene-bearing polymer engine powered organic nanomotors for light-driven cargo transport. Chemical Engineering Journal, 445, 136576.
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