基于纳米酶的纳米机器人原型

   理工小二        

背景:


大自然创造的生物分子能够在纳米/微尺度上操纵细微的物体,可以认为是目前世界上最理想的纳米机器人。蛋白质利用ATP在细胞中执行复杂的功能,有些细胞甚至装配成超分子,完美地完成更复杂的任务。尽管如此,这些蛋白质自自然产生之日起就从未停止过进化。


几十年来,科学家们进行了大量的研究,试图弄清楚这些生物分子的基本特征;然而,仍然存在许多问题。如今,受这些天然纳米机器人的启发,科学家们正在努力建造人造纳米机器人来跟随大自然的智能。


自2007年以来,这一课题的研究在世界范围内呈爆发式增长,令人振奋。具有固有酶样活性的纳米级材料已被应用于各个领域,特别是包括疾病药在内的生物医学应用。此外,纳米酶具有稳定性高、易改性、生产成本低等优点。作为纳米材料,纳米酶固有的物理和化学性质为操纵纳米机器人提供了多模态平台。


在这一背景下,以Jiaying Xie为首的团队展开了研究,并以“The prototypes of nanozyme-based nanorobots”为题,于北京时间2020年11月20日发表于Biophysics Reports (2020)


基于纳米酶的纳米机器人原型


摘要:


人工纳米机器人是一种用于在纳米尺度上执行复杂任务的机器人。典型的纳米机器人系统由逻辑控制、驾驶、感知和功能四个系统组成。由于纳米机器人结构精细、功能复杂,制造纳米机器人需要可设计、可控制、多功能的纳米材料。


在此,研究者认为,由于纳米酶具有独特的特性,包括灵活的设计、可控的类酶活性和纳米尺度的物理化学特性,它是制造纳米机器人的一个很有前途的候选材料。纳米酶可能参与一个系统,甚至是几个纳米机器人系统的结合。


该研究综述了纳米酶制备纳米机器人系统的研究进展,并对纳米酶制备纳米机器人的发展方向进行了展望。研究者希望纳米酶的独特特性将为纳米机器人的设计和制造提供新的思路。


过程:


纳米酶有可能在制造纳米机器人的过程中发挥作用吗?的确,纳米酶能够帮助构建纳米机器人的逻辑控制系统、传感系统、驱动系统和功能系统。该研究综述了近年来利用纳米酶在不同体系中制备纳米机器人的研究进展。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图1。基于dna的逻辑门的“和”和“或”门的工作模型。

由于猝灭部分的存在,减弱的荧光意味着“关”状态,

而增强的荧光意味着“开”状态。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图2。不同类型的微/纳米马达。

一种电场引导的催化纳米马达。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图3。A.制作水母状微型马达的步骤。B.DNA传感的工作机制。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图6。逻辑门依赖于CeO2 NPs的颜色变化。

A.“开”和“关”状态及其相应的颜色变化。

B.抑制门及其相应的催化反应的组合设计。

C.所有输入输出的综合计算结果。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图7。Pt nanozyme-based马达。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图8。用于纳米马达趋化性检测的溶液场。

用纳米马达将含有30% H2O2的凝胶中心置于水溶液中。

四种H2O2梯度凝胶在水溶液中的纳米马达。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图9。多纳米酶纳米降低杀伤肿瘤细胞。

A.制造材料和工艺。B.杀死肿瘤细胞的机制。

C.纳米二氧化钛ptco在不同pH值下的催化活性降低。


基于纳米酶的纳米机器人原型

图10。生物可吸收电子支架。

A.结构说明。B.图像在体内的应用。


分析:


该研究综述了近年来纳米酶微/纳米器件的研究进展。在纳米尺度上生产智能机器需要性能优良的纳米材料,而纳米酶是有待开发的纳米材料之一。活性的调节适合于逻辑门的构造,而纳米酶的催化活性能够为运动提供动力或帮助运动控制。


其他性能,如磁性,也可能有很好的帮助。纳米酶很容易通过额外的能力进行修饰,这也适用于纳米机器人的结构。一种纳米酶的多重类酶活性将提高催化性能,有利于制备具有多种功能的纳米器件。


一些强大的纳米机器已经建成。为了更进一步,研究者应该找到方法来整合这些纳米机器来构建一个完整的多路纳米机器人。纳米酶具有催化活性、理化性质可能是组成成分组合的重要关键。


由于纳米酶具有高生物相容性和低生物毒性,目前已广泛应用于临床,在肿瘤部位催化H2O2或葡萄糖。这些分子,特别是高水平的H2O2作为燃料,为微/纳米马达提供动力。例如,研究了装饰有类似catalas MnOx纳米酶的中空介孔有机硅纳米颗粒(HMONs),用于超声(美国)触发的声动力疗法(SDT)。


MnOx在肿瘤微环境(TME)中分解H2O2生成O2。这些纳米颗粒可以被构建成两面球——MnOx纳米酶只与半球形表面相连,因此产生的氧气可以提供驱动的动力。通过这种方式,功能性纳米颗粒能够同时帮助运动和声动力治疗(SDT)。


更重要的是,驱动动力可以帮助纳米设备深入到肿瘤的内部。研究者可能需要突破目前TME中的H2O2不足以驱动运动这一障碍。此外,TME为化学反应控制提供了调节,问题可能仍然存在于TME的复杂性中。


总之,纳米酶是进一步制造纳米设备,如纳米机器人,而且有大量的机会供研究者探索。


原文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s41048-020-00125-8


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