由于具有廣泛的擴(kuò)散范圍、高效的貨物運(yùn)輸和深層組織滲透能力，納米馬達(dá)在環(huán)境修復(fù)、貨物運(yùn)輸、傳感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。作為納米馬達(dá)最重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一，酶基納米馬達(dá)的精確速度控制在許多生物應(yīng)用中是非常重要的。然而，由于其穩(wěn)定的生理環(huán)境，原位操縱酶基納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)仍然非常困難。合理設(shè)計(jì)和制造具有反向驅(qū)動(dòng)元件的新型酶基納米馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定生理環(huán)境下的速度調(diào)節(jié)是迫切需要的。

近日，復(fù)旦大學(xué)趙東元院士課題組以汽車制動(dòng)器為靈感，將近紅外“光學(xué)制動(dòng)器”引入到葡萄糖驅(qū)動(dòng)酶基介孔納米馬達(dá)中，首次實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)速?；赟iO2@Au 核@殼納米微球和酶修飾周期性介孔有機(jī)硅(PMOs)的Janus介孔納米結(jié)構(gòu)，研究者合理設(shè)計(jì)和制備了新型納米馬達(dá)。該納米馬達(dá)可以在PMO結(jié)構(gòu)域上的酶(葡萄糖氧化酶/過氧化氫酶)的催化下，以葡萄糖為生物燃料以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，SiO2@Au域的Au納米殼層使其在近紅外光照射下產(chǎn)生局部的熱梯度，通過熱遷移來驅(qū)動(dòng)納米馬達(dá)。利用Janus獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，酶催化誘導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)力和近紅外光熱效應(yīng)誘導(dǎo)的熱導(dǎo)力方向相反。因此，使用近紅外光學(xué)速度調(diào)節(jié)器，葡萄糖驅(qū)動(dòng)的納米馬達(dá)在固定葡萄糖濃度下，即使覆蓋生物組織，也可以實(shí)現(xiàn)3.46 ~ 6.49 μm/s (9.9 ~ 18.5 body-length/s)的遠(yuǎn)程速度操縱?；谶@種概念設(shè)計(jì)的介孔納米馬達(dá)的底層吸收可被遠(yuǎn)程調(diào)控(57.5-109 μg/mg)，這為設(shè)計(jì)基于新型納米馬達(dá)的介孔框架的智能活性給藥系統(tǒng)提供了巨大的潛力。相關(guān)工作以“Enzyme-based Mesoporous Nanomotors with Near-Infrared Optical Brakes”為題發(fā)表在最新一期的《J. Am. Chem. Soc.》。

圖1. 合成和表征

【Janus納米馬達(dá)的合成與表征】

如圖1a所示，均勻粒徑約為3 nm的金納米粒通過靜電吸附被固定在氨基功能化的SiO2納米球(直徑約為130 nm)上，經(jīng)過Au納米種子的連續(xù)生長和交聯(lián)后，整個(gè)Au納米殼層(厚度約為20 nm)均勻地包覆在膠體SiO2納米球上，通過種子生長法形成核殼(core@shell)結(jié)構(gòu)的SiO2@Au納米粒子。

掃描電鏡(SEM)(圖1b)和透射電鏡(TEM)(圖1c, d)圖像表明，制備的Janus SiO2@Au&PMO納米復(fù)合材料的尺寸約為350 nm，具有明顯的不對(duì)稱納米結(jié)構(gòu)。高分辨率透射電鏡(HRTEM)圖像(圖1e)顯示，單晶PMO納米立方體具有高度有序的中孔通道(空間群Pm3 n)，孔徑約為2.0 nm。單個(gè)SiO2@Au&PMO納米復(fù)合材料的元素映射顯示了不對(duì)稱的幾何形狀和元素分布(圖1f)。

圖2. Janus納米馬達(dá)在葡萄糖溶液中的運(yùn)動(dòng)行為分析。

【Janus納米馬達(dá)在葡萄糖生物燃料溶液中的自我推進(jìn)運(yùn)動(dòng)】

通過軌跡分析，系統(tǒng)地研究了Janus納米馬達(dá)在生物燃料葡萄糖中的自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)?？梢钥闯?，Janus納米馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)是定向的，可以通過增加葡萄糖濃度來增強(qiáng)(圖2a)。為了量化納米電機(jī)的方向性，將直線位移與行走距離之比定義為方向性值并計(jì)算。這個(gè)值越接近1，納米馬達(dá)的方向性越高。結(jié)果表明，Janus納米馬達(dá)的方向性值隨著葡萄糖濃度的增加而增加(圖2b)。計(jì)算了Janus納米發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃料濃度下的均方位移(MSD)值作為時(shí)間間隔的函數(shù)(Δt)。MSD隨Δt和生物燃料濃度線性增加(圖2c)，表明生物燃料濃度依賴的運(yùn)動(dòng)。隨著葡萄糖濃度從0增加到50 mM、100 mM和200 mM，相應(yīng)的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff分別從0.72增加到1.35、2.83和5.51 μm2/s(圖2d)。同時(shí)，通過將生物燃料濃度從0調(diào)節(jié)到200 mM，可以將Janus納米馬達(dá)的平均速度調(diào)節(jié)在4.04 ~ 6.34 μm/s (11.5 ~ 18.1 body-length/s)之間(圖2d)。