Advances in Chemically Powered Micro/Nanorobots for Biological Applications: A Review
纳米黏土矿物因其独特的理化特性和良好的生物相容性，已经在靶向药物递送、抗菌、抗炎、止血等生物应用上取得了实质性的突破，对于未来新型生物医药材料的研制具有深远的意义。微纳机器人是21世纪新兴的一个研究领域，团队依托矿物材料的研究背景，致力于开发矿物基微纳机器人的制备与应用。文本总结了化学驱动微纳机器人在生物应用中的重要进展。
微纳机器人（MNR）能够自主运动，突破了传统纳米载体被动运输的限制。其中，化学驱动MNR是最早研究的MNR，受到了研究人员的广泛关注。本综述首先关注化学驱动MNR的材料特性、制备方法、驱动机制和运动行为。综述了生物医学中化学驱动的MNR在各种生物应用（药物递送、诊断、抗炎、抗菌和疾病治疗）中的研究现状。在生物安全方面，从三个方面分析了化学驱动微型机器人应用中可能存在的安全问题：材料特性、化学能源和生物环境。最后，提出了化学驱动MNR的挑战和可能的未来方向。
图1. 用于生物应用的化学驱动MNR示意图
1.设计与驱动
1.1材料性质
通常，化学驱动MNR的合成策略可分为物理气相沉积（PVD）、模板电沉积和自组装。PVD是一种在基材上以蒸汽颗粒形式沉积薄而均匀的涂层的技术，通常用于金属沉积。最常见的方法是通过PVD在单层球形二氧化硅颗粒上沉积具有活性催化组分的金属物种，以形成半球状或帽状结构。模板电沉积法则被广泛用于制造中空结构。单个成分，如蛋白质分子和胶体纳米颗粒，可以通过自组装过程自发地排列成高度结构化的结构。纳米颗粒通过氢键相互作用、布朗力和偶极相互作用排列成有序结构。自组装过程在MNR的合成中起着重要作用。
图2. 物理气相沉积和模板电沉积方法。A） 通过溅射SiO2的制造方案−Pt
Janus微球（SiO2−Pt薄膜）。B） 基于聚（乙二醇）-聚苯乙烯（PEG-PS）聚合体的Janus
MNRs的制备工艺方案。C、 D）PEDOT/MnO2 MNR的模板辅助电沉积示意图。E） MoS2/Pt管状微引擎的模板辅助制造程序示意图。
1.2驱动
化学动力MNR利用周围的化学物质从特定的催化或自发反应中获得驱动力。从原理角度来看，这需要将催化剂或反应物整合到系统中，并将相应的底物作为燃料，如过氧化氢（H2O2）、葡萄糖、尿素、水、酸性溶液等。其中，H2O2是使用最广泛的燃料。这是因为许多金属（如Pt）可以催化H2O2转化为水和氧，形成气泡或浓度梯度，驱动MNR的运动，以Janus形状的MNR为典型代表。
图3. 化学驱动MNR。A）MNR个体的气泡驱动和携带气泡集群的高速运动。B）Janus型GOx/Pt MNR的示意图。C） 脲酶结合的二氧化硅管状纳米射流的示意图。D）基于产生的H2，HPMs实现自我推进。E）MNR的自推进用于去除水溶液中的Hg2+离子。F） Mg−HA电机运动的示意图。G） 用脲酶官能化的光催化TiO2/CdS-MNRs。
混合驱动的MNR使用两个或多个能源进行导航和控制，使机器人能够更适应复杂多变的环境。
图4. 混合驱动的MNR。A） CdS/C60 MNR推进的示意图和延时图。B） TiO2/Au/Pt
Janus微球马达的运动。C）双推进Janus
MNR的制造工艺和速度调节机制示意图。
2.生物应用
2.1药物递送
单独使用药物可能在运输和递送过程中对生物体有毒，产生不良反应。它甚至可能受到周围复杂的微环境的影响，生物相容性和生物安全性也存在问题。此外，减少使用的药剂量可以在一定程度上缓解高价问题。一些药物具有生物屏障和有限的转运能力，需要设计智能药物递送系统以防止药物降解，促进跨越屏障并提高生物利用度。因此，设计合适的药物递送MNR可以在药物释放中发挥重要作用。药物递送系统已成为生物材料领域的一个焦点，这为治疗工具和预防提供了机会。
图5. 用于药物输送的化学驱动MNR。A）NIR照明有助于MC的实时PA成像，并随后触发MNR在胃肠道目标区域的推进。B）在n-rGO/Pt微机械上加载阿霉素（DOX）。C）自推进和谷胱甘肽介导的药物释放的Janus Pt MSNs MNRs的示意图。D） Mg-Au药物聚合物MNR的制造工艺示意图。E）杂交中性粒细胞MNR在非微流体通道中对大肠杆菌的趋化运动。F）AuAg纳米机器人携带的蛋白质货物。
2.2疾病诊断
疾病诊断是一种未知疾病的状态，由某些测试和信号指标确定，对疾病状况进行分析、综合和评估，并提出了初步诊断，然后对诊断进行验证和纠正。检查诊断有效性的几个指标通常是用于评估和评估的诊断的敏感性、特异性和准确性。这项诊断将与医学影响检查和其他临床辅助检查相结合。因此，从化学驱动MNR设计的角度来看，可以从结果导向的角度设计具有诊断功能的MNR。
图6. 用于疾病诊断的化学驱动MNR。A）DNA-MNR的制备方法，pH响应型DNA纳米开关与共价连接在MNR上的互补DNA支架杂交。B）体外miRNA检测的Meso-MS/Pt/DNA
MNR示意图。C）使用SPEa对人血清中Mg/Pt Janus MNR辅助葡萄糖生物传感的示意图。D）用于病毒检测的NBC系统示意图。
2.3抗炎
炎症性疾病威胁着人类健康，目前的临床治疗方式主要是皮质类固醇或非甾体抗炎药，这些药物会引起全身毒性。纳米医学领域已经开发出的复合纳米载体采用的是被动运输方式且靶向性差。MNR是用于抗炎应用的新兴纳米载体。作为自主药物载体的MNR能够定向移动到病变组织并促进主动递送。它可以更好地解决目前炎症治疗中的问题。
图7. 用于靶向抗炎的化学驱动的MNR。A）PLGA颗粒制备示意图。B） 活性H2通过清除ROS减轻RA进展，并进一步减轻炎症和炎性细胞因子。C） HPM作为原位H2发生器的示意图，通过活性H2输送来清除ROS并缓解氧化应激，用于缺血性中风治疗。
2.4抗菌
近年来，细菌感染对人类生活产生了严重影响。这种细菌可以引起传染病，包括骨髓炎、呼吸道感染和伤口感染，这些都更难治疗。目前的传统治疗方法是使用抗生素，这挽救了无数人的生命，但滥用抗生素，尤其是滥用抗生素，会导致耐药菌株的出现。抗菌MNR由于其自身的优势，如自我推进、强组织渗透性和快速灭菌，受到了广泛关注。大多数MNR使用在运动过程中催化的活性氧来抗菌。MNR将设计为引入具有抗菌性能的成分，如Ag+和GaIII。此外，单个MNR具有有限的能力，细菌的群体机械裂解可以增强MNR在抗菌过程中的渗透性，并解决更复杂的生物膜感染问题。
图8. 化学驱动的MNR用于精确抗菌。A）Ga/Zn MNRs对幽门螺杆菌的抗菌活性示意图。B）MnOx-Ag/Hal-MNRs引起的杀菌作用机制示意图。C）小鼠胃中镁基MNR的体内推进和药物递送示意图。D）微型机械的杀灭能力归因于它们的抗菌活性和生物膜表面不断产生的微泡。E） SLAM去除生物膜的机理。
2.5胃肠道疾病治疗
胃肠道疾病会影响消化系统的正常功能，并对人的健康有害。胃肠道环境可以为化学驱动的MNR提供燃料，这反过来使MNR能够在体内自主运动。因此，化学驱动的MNR在胃肠道疾病的治疗中具有广泛的应用。这些MNR由其自身与体液环境的反应驱动，因此在设计过程中通常考虑材料的生物相容性。以及反应后的产物是否会对生物体有害。对于胃肠道疾病的治疗，基于锌和镁的MNR目前用于胃肠道中的药物运输。锌和镁都是生物相容性材料，它们使MNR在胃肠液中表现出强大的自主推进力。
图9. 用于治疗胃肠道疾病的化学驱动MNR。A）小鼠胃中多室发动机的推进和分布示意图。B）小鼠胃中的人工MNR。C）镁基MNR及其酸中和机制的图解。D）MNRs用于治疗缺铁性贫血。
2.6抗肿瘤
用于肿瘤治疗的MNR的设计需要考虑材料与肿瘤间质及相关细胞的作用、材料性质与微环境反应之间的关系、材料调节微环境的功效、代谢行为和安全性的平衡。因此，化学驱动MNR的设计需要考虑调节过程的需要和多功能抗肿瘤特性的需要。临床上常见的外科治疗具有高风险、大创伤面积和容易复发，包括该过程可能会影响正常生理功能。因此，在分子、细胞、组织和动物水平上解释MNRs的抗肿瘤功效非常重要。
图10. 用于肿瘤治疗的化学动力MNR。A）尿素酶驱动的MNR的膀胱内递送示意图，以增强在膀胱中的渗透和滞留。B）酶驱动的Janus
MNRs从肿瘤内启动，以解决药物递送障碍。C） JM克服交付障碍的破冰航行示意图。D） PCA-MNR的合成过程和肿瘤代谢共生的治疗策略说明。
3.安全性与生物相容性
在实际的生物应用中，化学驱动MNR的生物安全性受到关注。研究人员已经意识到，化学动力MNR的安全设计对其体内运动过程至关重要。这包括框架的生物安全和生物降解以及化学燃料的生物安全。一旦将化学动力MNR应用于活生物体中，就有一些因素需要我们注意，例如生物相容性、是否会发生免疫反应、器官毒性、可降解性以及它们是否可以从生物体中去除。
图11. 化学驱动MNR的安全性和生物相容性。A）Mg-MNRs的毒性评价。B） 通过分区合成的混合生物降解MNR。C）注射PBS和MNRs后3天，用H&E染色对胃（第一排）、十二指肠（第二排）、回肠（第三排）和结肠（最后一排）进行组织学分析（比例尺=200µm）。D）Mg/ZnO Janus MNRs和Zn/Fe
Janus M NRs的设计。
未来展望
未来，我们期望化学驱动的MNR在现有疾病检测和诊断、抗炎和抗菌治疗的实现以及肿瘤诊断和治疗中有更多的应用。它们也可以扩展到生命科学的其他领域。微型机器人技术的发展才刚刚开始，但它正在迅速发展，并很可能在未来应用于临床治疗过程中。首先，从化学驱动的微机器人材料设计来看，在到达目标位置之前，材料本身是否稳定。制备过程和工艺是否复杂，在调节过程中是否可以将不利影响转化为有利因素。其次，尽管化学驱动的MNR在生物医学领域有一些应用，但在特定疾病治疗、检测和诊断以及作用机制方面的研究还不够深入。需要更多的调查和发现来探索MNR在生命科学中不可替代的作用。我们着眼于临床需求并遵循临床需求，设计和开发更多可实际应用于临床治疗的MNR。当然，应考虑每种MNR对人体的安全性和毒理学影响。第三，为了安全性和生物相容性，生物体内的吸收、分布、代谢、排泄和毒性是产生生物效应的重要阶段。它可能会造成局部急性损伤，甚至产生相应的毒理学效应。
