在自然界，由蛋白等功能生物大分子組成的納米尺寸的分子馬達，可以將外部能量轉變為機械能。生命體的很多功能行為，比如物質運輸、肌肉收縮等，都可追溯到分子馬達的推送作用。而最近幾年，納米技術的蓬勃發展為構建自推進人工納米馬達創造了便利條件。
在所有外界能量供應中，光能具有遠距離無創穿透的特點，其可對人工納米馬達進行遠程遙控以實現納米藥物在體內的定向運輸。光吸收重金屬，是常見的光熱機理動力引擎，它可驅動納米馬達在溶液中熱泳，因其運動機理與周圍化學物質無關可廣泛適用於多種複雜環境。
然而，不可降解的重金屬納米粒導致的生物安全性問題限制了其實際應用。基於此，天津大學化工學院高分子科學與工程系副教授閆熙博團隊，在一項工作中利用具有光響應性能的偶氮苯基聚合物聚集體，作為光碟機動有機高分子引擎，通過納米沉澱技術將其和多種功能高分子進行納米尺寸可控組裝，製備出具有不對稱形貌的有機高分子納米馬達，它具有生物相容性特點。
一方面，有機高分子引擎可通過光熱轉換為納米馬達的熱泳提供動力；同時，光異構化內部質量遷移引起的形變可進一步促進馬達推進，從而通過偶氮苯基聚合物引擎將光能轉變為機械能，驅動納米馬達在溶液中定向運動。
從應用上，這款完全有機的光碟機動納米馬達，在紫外光遙控下有效穿透多重生理屏障，將抗癌藥物定向輸送到腫瘤組織內部，最終顯著提高其抗癌活性。與常規納米馬達中高分子只作為光熱重金屬引擎的支撐結構不同的是，該納米馬達實現了和天然分子馬達一樣的能力——可通過功能高分子本身實現能量轉換以驅動其運動，這為設計和構建多功能納米馬達提供了新思路。
近日，相關論文以《用於光碟機動貨物運輸的偶氮苯聚合物引擎驅動的有機納米馬達》（Azobenzene-bearing polymer engine powered organic nanomotors for light-driven cargo transport）為題，發表在 Chemical Engineering Journal 上。
閆熙博表示：「有的審稿人對於我們提出的納米沉澱製備方法印象深刻，評價稱這是一個將不同結構和功能聚合物組裝在一起的以製備不對稱高分子納米馬達的非常便捷的方法。有的審稿人認為我們提出的具有光碟機動運輸能力的高分子納米馬達，將在生物體系中起到重要的作用。除此之外，審稿人在實驗和表徵方面的專業建議，對最終工作呈現也起到了很大的幫助作用。因此，我們團隊非常感謝所有參與到我們文章評審的審稿人。」
據介紹，該研究是閆熙博回國入職天津大學後指導的第一個研究生的工作，從開始著手到最終發表論文總跨度大約兩年。可以說是摸索著前進，最初的研究目的只是單純地探索聚偶氮苯基聚合物的獨特光響應性質，看是否能作為光響應動力供應組件驅動的納米尺寸材料，從而在溶液中實現自主運動。這樣探索的主要原因，是因為該聚合物引擎具有光熱轉換和光異構質量遷移兩種有趣的能量供應模式。
因此，他們花了大量時間去探索每一種光響應性質對於其運動的貢獻，最終發現直接光照這種最簡單的模式，可以充分利用兩種光響應性質，並實現高分子納米馬達的光碟機動推進。
在完成這部分工作後，該團隊其實已經準備發表論文。後來，他們和一些資深學者討論後，大家一致認為這種有機高分子作為「引擎」的光熱驅動有機納米馬達，在生物醫藥領域應用上會有很大優勢。
因此，他們又開始了後續的體內外實驗的設計與測試。相比於金屬材質的光碟機動納米馬達，聚偶氮苯基納米馬達的光熱溫度不高，可在光碟機動熱泳的條件下，儘量避免過高的光熱溫度對於正常組織的損傷，使其更適合在複雜的生物體內執行光碟機動藥物運輸的工作。
而簡便的納米沉澱組裝方法，又可以讓所需運輸貨物的自由選擇得到充分保證。最終，體內實驗也證實了聚偶氮苯基納米馬達的光碟機動藥物運輸，可以顯著提高負載藥物的抗癌活性。
談及應用，他表示：「我們課題組這部分工作現階段仍處在初步的基礎研究中。關於應用前景，我覺得還有很多路要走。就像我們在這篇論文結尾中指出的，首先我們要將我們的功能轉換部件，也就是偶氮苯基聚合物的光碟機動波長，從高能量的紫外光轉變為生物相容性更好的紅外光。」
雖然該團隊在論文中也證明了所採用的短時間的 UVA 紫外光照條件，對小鼠皮膚等組織具有生物安全性。但是，紅外光在遠距離無創深度穿透方面的表現，會更具有臨床前景。
這些都需要他們在聚合物合成上進行努力，這也恰恰是高分子的優勢——即在結構、性質和功能上的高度的靈活性，只需要在有機合成上進行部分結構改造，就可以很容易地擴展偶氮苯基聚合物的光響應性能。因此，課題組非常看好光碟機動高分子納米馬達在生物醫藥領域的應用潛力。
下一步，在構建具備運動能力和操控能力的高性能光碟機動高分子納米馬達方向上，他們會繼續進行研究。目前，課題組的主要工作是發掘更多種類的、能提供納米馬達動力的光響應高分子引擎，以期實現光碟機動高分子納米機器人「速度更快、操控性更高和性能更強」的目標。
例如，其最近發表在 Small 上的題為《用於可編程增強抗腫瘤療效的光碟機動有機納米機器》（Photoactivated organic nanomachines for programmable enhancement of antitumor efficacy）的論文，可在納米尺度上將有機半導體聚合物和大分子抗癌活性物質，組裝為 808 納米紅外光碟機動的高分子納米馬達。另據悉，現階段該團隊通過半導體聚合物聚集體光熱效應，可為納米馬達在溶液中的熱泳提供能量。
不同於偶氮苯基聚合物的光熱和光異構效應協同驅動藥物運輸，半導體聚合物納米粒高效的光熱效應可直接通過熱熔殺死癌細胞，也就是這種納米馬達可以在藥物運輸過程中實現光/化學的協同治療。
不僅如此，納米馬達屬於納米機器人，機器人最大的優勢應該是對其行為的可編程性。現有的抗癌納米藥物的策略，主要是利用高能量強度下（高光熱溫度或/和高抗癌藥載藥）殺死或抑制腫瘤組織。
而閆熙博團隊是利用半導體高分子納米馬達的光熱穩定性、和良好的腫瘤組織滲透能力，在腫瘤微環境中對納米馬達的啟停運動進行編程控制，最終在低能量強度下即低光熱溫度和低載藥量下，顯著提高其抗癌效率。
同時，他表示一個有意思的項目從設計到最終實現，很大程度上都取決於具體執行人。其表示：「這篇論文的兩個共同第一作者，熊祥宇和黃興都是從他們碩士研究生一年級就開始了這個項目的研究工作，他們兩個都是完完全全的科研新人。」
由於閆熙博課題組也是剛剛建立，他們沒有師兄師姐可以直接臨場諮詢，雖然他們總會對課題細節進行討論，但仍然有很多具體的實驗問題，只能由兩個人獨立摸索中前進，最終都完成的很好。他倆也都展示出了極高的探索科學問題和解決實際科研問題的熱情，這也是這個課題最終能夠完成的最關鍵的因素。
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參考：
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.
