细胞环境中的载药氮化碳微锥。功劳:MPI for Intelligent Systems科幻小说家们想不出比这更疯狂的情节了:微型机器人在血液或其他体液中流动，这些体液被光线穿透，可以将药物运送到癌细胞，并当场将药物丢弃。听起来像是一个牵强的幻想，它是现在发表在《科学机器人学》上的一个研究项目的简短总结。这项工作中展示的微锥有朝一日可以在生物有机体或不容易接近的生物环境中执行任务。展望未来，游泳者也许有一天可以治疗癌症或其他疾病。马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)及其邻近研究所马克斯·普朗克固态研究所(MPI-FKF)的科学家团队在他们的论文“光驱动氮化碳微锥，在生物和离子介质中具有推进力，并具有响应性的按需药物输送”中，展示了能够以前所未有的方式引导生物流体和溶解血液的有机微粒。即使是在非常咸的液体中，微型望远镜也能被可见光高速推进，无论是单独推进还是成群推进。此外，它们是部分生物相容的，可以按需装卸货物。在MPI-IS，由梅廷·西蒂领导的物理情报部门的科学家参与其中，在MPI-FKF，由贝蒂娜·洛施领导的纳米化学部门的科学家参与其中。
迄今为止，设计和制造如此先进的微锥似乎是不可能的。光能的运动受到水中或体内盐的阻碍。这需要复杂的设计，很难扩大规模。此外，从外部控制机器人很有挑战性，而且通常成本很高。受控货物装载和现场交付是纳米机器人领域的另一个最高准则。
科学家们使用了一种多孔的二维氮化碳(CNx)，它可以由尿素等有机材料合成。像光伏电池板的太阳能电池一样，氮化碳可以吸收光线，然后当光线照射到粒子表面时，它提供能量来推动机器人前进。
高离子耐受性
MPI-FKF纳米化学系的组长菲利普·波德贾斯基说:“当在培养皿中进行实验或直接应用时，使用光作为推进的能源非常方便。“只有一个问题:即使是极低浓度的盐也会阻止光控mot ion。盐存在于所有生物液体中:血液、细胞液、消化液等。然而，我们已经表明，我们的CNx微锥在所有生物液体中都起作用——即使盐离子的浓度非常高。这仅仅是因为不同因素的有利相互作用:高效的光能转换作为驱动力，以及纳米粒子的多孔结构，这允许离子流过它们，可以说减少了盐产生的阻力。此外，在这种材料中，光有利于离子的移动，使粒子移动得更快。”
展示了游泳者的耐盐性后，研究小组接下来应对了将他们用作药物载体的挑战。“这也是可能的，由于材料的多孔性，”瓦伦·斯里达尔解释说。他是MPI-IS的博士后研究员，也是该出版物的第一作者。他和他的团队在游泳者的小毛孔中注入抗癌药物阿霉素。“这些颗粒像海绵一样吸附药物，吸附量达到前所未有的载体质量的185%，同时与氮化碳保持稳定结合——甚至超过一个月。我们已经表明，在酸性酸碱度的液体中，药物的控制释放是可能的。此外，无论酸碱度如何变化，我们都能够照亮微锥，从而释放药物。即使在满载时，游泳者也没有明显减速，这很好。”
在期望的目的地受控和有效地释放毒品货物的能力是一个挑战。当遇到酸性条件时，例如在胃中发现的酸性条件，药物会迅速大量解吸。然而，这种通常遇到的酸碱度剧烈变化的情况在身体的其他部位或生物环境中是找不到的。因此，需要其他外部释放触发器。
波德贾斯基解释说:“我们发现，蓝光照射能够促进推进，同时释放携带的药物。“这并不总是靶向应用所希望的，因为药物的释放会在粒子推进的整个过程中发生。在这里，我们的新氮化碳的内在充电能力开始发挥作用:当在缺氧环境中被照亮时，这种材料可以充电，内在地积累光能，类似于我们之前报道的太阳能电池。在这种低氧条件下，即当粒子带电时，与吸附药物的相互作用被改变，药物释放被显著促进，从而能够对细胞产生有效作用。因此，受缺氧条件制约的材料的光充电能力突然变成了一种释放的传感特性。”
该团队在一个真实肿瘤细胞的实验中证明了这种相互作用。在他们的论文中，科学家们展示了他们如何照亮癌细胞附近装载阿霉素的氮化碳颗粒，药物是如何被细胞释放和吸收，从而导致它们腐烂的。
“我们的工作表明，使用长期已知、易于合成、丰富且多孔的微粒材料作为微型机器人材料会产生多少意想不到的潜力，这些微粒材料通常是为光催化应用而设计的，”梅廷·西蒂说。
“多孔有机材料的特性本质上能够实现大的内部体积和表面积，为货物留出很大的空间，同时克服了光推进的限制，否则在离子存在的情况下会遇到这种限制。分子位点的进一步定制可以实现更可控的货物相互作用，而无需任何特殊的形状设计或采用难以控制的封装结构。最后，利用影响光电子材料特性的环境敏感特性变化的想法，正如我们的材料固有的光充电能力所给出的，似乎是设计不仅可控，而且半自主作用的货物运输工具的有效途径，”Bettina Lotsch说。
尽管微锥是未来的愿景，并且只能在最理想的条件下工作，但研究中提出的基础研究可能会为光控和生物相容材料以及智能半自主系统铺平道路，并应用于其他技术。“我们希望激发许多聪明的头脑，找到更好的方法来控制微型机器人，并设计一个响应功能来造福我们的社会，”西蒂总结道。
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