由于具有广泛的扩散范围、高效的货物运输和深层组织渗透能力，纳米马达在环境修复、货物运输、传感、生物医学等领域具有良好的应用前景。作为纳米马达最重要的运动参数之一，酶基纳米马达的精确速度控制在许多生物应用中是非常重要的。然而，由于其稳定的生理环境，原位操纵酶基纳米马达的运动仍然非常困难。合理设计和制造具有反向驱动元件的新型酶基纳米马达，实现在稳定生理环境下的速度调节是迫切需要的。
近日，复旦大学赵东元院士课题组以汽车制动器为灵感，将近红外“光学制动器”引入到葡萄糖驱动酶基介孔纳米马达中，首次实现远程调速。基于SiO2@Au 核@壳纳米微球和酶修饰周期性介孔有机硅(PMOs)的Janus介孔纳米结构，研究者合理设计和制备了新型纳米马达。该纳米马达可以在PMO结构域上的酶(葡萄糖氧化酶/过氧化氢酶)的催化下，以葡萄糖为生物燃料以实现驱动。同时，SiO2@Au域的Au纳米壳层使其在近红外光照射下产生局部的热梯度，通过热迁移来驱动纳米马达。利用Janus独特的纳米结构，酶催化诱导的驱动力和近红外光热效应诱导的热导力方向相反。因此，使用近红外光学速度调节器，葡萄糖驱动的纳米马达在固定葡萄糖浓度下，即使覆盖生物组织，也可以实现3.46 ~ 6.49 μm/s (9.9 ~ 18.5 body-length/s)的远程速度操纵。基于这种概念设计的介孔纳米马达的底层吸收可被远程调控(57.5-109 μg/mg)，这为设计基于新型纳米马达的介孔框架的智能活性给药系统提供了巨大的潜力。相关工作以“Enzyme-based Mesoporous Nanomotors with Near-Infrared Optical Brakes”为题发表在最新一期的《J. Am. Chem. Soc.》。
图1. 合成和表征
【Janus纳米马达的合成与表征】
如图1a所示，均匀粒径约为3 nm的金纳米粒通过静电吸附被固定在氨基功能化的SiO2纳米球(直径约为130 nm)上，经过Au纳米种子的连续生长和交联后，整个Au纳米壳层(厚度约为20 nm)均匀地包覆在胶体SiO2纳米球上，通过种子生长法形成核壳(core@shell)结构的SiO2@Au纳米粒子。
扫描电镜(SEM)(图1b)和透射电镜(TEM)(图1c, d)图像表明，制备的Janus SiO2@Au&PMO纳米复合材料的尺寸约为350 nm，具有明显的不对称纳米结构。高分辨率透射电镜(HRTEM)图像(图1e)显示，单晶PMO纳米立方体具有高度有序的中孔通道(空间群Pm3 n)，孔径约为2.0 nm。单个SiO2@Au&PMO纳米复合材料的元素映射显示了不对称的几何形状和元素分布(图1f)。
图2. Janus纳米马达在葡萄糖溶液中的运动行为分析。
【Janus纳米马达在葡萄糖生物燃料溶液中的自我推进运动】
通过轨迹分析，系统地研究了Janus纳米马达在生物燃料葡萄糖中的自推进运动。可以看出，Janus纳米马达的运动是定向的，可以通过增加葡萄糖浓度来增强(图2a)。为了量化纳米电机的方向性，将直线位移与行走距离之比定义为方向性值并计算。这个值越接近1，纳米马达的方向性越高。结果表明，Janus纳米马达的方向性值随着葡萄糖浓度的增加而增加(图2b)。计算了Janus纳米发动机在不同燃料浓度下的均方位移(MSD)值作为时间间隔的函数(Δt)。MSD随Δt和生物燃料浓度线性增加(图2c)，表明生物燃料浓度依赖的运动。随着葡萄糖浓度从0增加到50 mM、100 mM和200 mM，相应的有效扩散系数Deff分别从0.72增加到1.35、2.83和5.51 μm2/s(图2d)。同时，通过将生物燃料浓度从0调节到200 mM，可以将Janus纳米马达的平均速度调节在4.04 ~ 6.34 μm/s (11.5 ~ 18.1 body-length/s)之间(图2d)。
