由于具有廣泛的擴散范圍、高效的貨物運輸和深層組織滲透能力，納米馬達在環境修復、貨物運輸、傳感、生物醫學等領域具有良好的應用前景。作為納米馬達最重要的運動參數之一，酶基納米馬達的精確速度控制在許多生物應用中是非常重要的。然而，由于其穩定的生理環境，原位操縱酶基納米馬達的運動仍然非常困難。合理設計和制造具有反向驅動元件的新型酶基納米馬達，實現在穩定生理環境下的速度調節是迫切需要的。

近日，復旦大學趙東元院士課題組以汽車制動器為靈感，將近紅外“光學制動器”引入到葡萄糖驅動酶基介孔納米馬達中，首次實現遠程調速。基于SiO2@Au 核@殼納米微球和酶修飾周期性介孔有機硅(PMOs)的Janus介孔納米結構，研究者合理設計和制備了新型納米馬達。該納米馬達可以在PMO結構域上的酶(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現驅動。同時，SiO2@Au域的Au納米殼層使其在近紅外光照射下產生局部的熱梯度，通過熱遷移來驅動納米馬達。利用Janus獨特的納米結構，酶催化誘導的驅動力和近紅外光熱效應誘導的熱導力方向相反。因此，使用近紅外光學速度調節器，葡萄糖驅動的納米馬達在固定葡萄糖濃度下，即使覆蓋生物組織，也可以實現3.46 ~ 6.49 μm/s (9.9 ~ 18.5 body-length/s)的遠程速度操縱。基于這種概念設計的介孔納米馬達的底層吸收可被遠程調控(57.5-109 μg/mg)，這為設計基于新型納米馬達的介孔框架的智能活性給藥系統提供了巨大的潛力。相關工作以“Enzyme-based Mesoporous Nanomotors with Near-Infrared Optical Brakes”為題發表在最新一期的《J. Am. Chem. Soc.》。

圖1. 合成和表征

【Janus納米馬達的合成與表征】

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，經過Au納米種子的連續生長和交聯后，整個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)結構的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納米復合材料的尺寸約為350 nm，具有明顯的不對稱納米結構。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SiO2@Au&PMO納米復合材料的元素映射顯示了不對稱的幾何形狀和元素分布(圖1f)。

圖2. Janus納米馬達在葡萄糖溶液中的運動行為分析。

【Janus納米馬達在葡萄糖生物燃料溶液中的自我推進運動】

通過軌跡分析，系統地研究了Janus納米馬達在生物燃料葡萄糖中的自推進運動。可以看出，Janus納米馬達的運動是定向的，可以通過增加葡萄糖濃度來增強(圖2a)。為了量化納米電機的方向性，將直線位移與行走距離之比定義為方向性值并計算。這個值越接近1，納米馬達的方向性越高。結果表明，Janus納米馬達的方向性值隨著葡萄糖濃度的增加而增加(圖2b)。計算了Janus納米發動機在不同燃料濃度下的均方位移(MSD)值作為時間間隔的函數(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動。隨著葡萄糖濃度從0增加到50 mM、100 mM和200 mM，相應的有效擴散系數Deff分別從0.72增加到1.35、2.83和5.51 μm2/s(圖2d)。同時，通過將生物燃料濃度從0調節到200 mM，可以將Janus納米馬達的平均速度調節在4.04 ~ 6.34 μm/s (11.5 ~ 18.1 body-length/s)之間(圖2d)。