近日，武漢理工大學官建國研究團隊在美國化學學會旗下的頂級綜述類期刊《Chemical Reviews》上發表綜述論文《Lighting up Micro-/Nanorobots with Fluorescence》，并遴選為Supplementary Cover。系統綜述了熒光微納機器人的發展現狀和未來發展方向，這項工作有望吸引和激勵來自不同研究領域的研究人員共同推動熒光微納米機器人的設計和實際應用。該團隊博士生楊滿義為第一作者，牟方志研究員和官建國教授為文章的共同通訊作者。
背景
微納米機器人(Micro-/nanorobots，MNRs)是一類尺寸在微米或納米尺度，可自主執行任務的微型裝置。由于MNRs的運動特性和在液相介質中主動裝載、運輸和操縱“貨物”的能力，它們可在微觀環境中“自主”完成諸如環境檢測、藥物遞送、細胞操控、微手術及超結構自組裝等復雜任務。
熒光已廣泛用于生物標記、傳感以及對生理過程的基本分子途徑進行示蹤等。例如，熒光可以提供藥物在組織中的實時位置和功能信息，實現在組織損傷發生或在疾病典型癥狀出現之前在分子和細胞水平上的早期診斷；利用熒光成像儀器，熒光可用于界定病變組織的手術切緣，改善在手術過程中切除/保留的術中決策；通過特殊設計的熒光材料具有化學和光學誘導的細胞毒性，已被用于進行化學療法、光動力療法、光熱療法和多模式協同療法，并顯示出了良好治療效果。通過將MNRs與熒光結合，熒光可賦予MNRs高時空可追蹤性、環境敏感性和化學/光子誘導細胞毒性；而MNRs能賦予熒光運動性和外部導航靶向性。
因此，熒光MNRs可望執行成像引導藥物遞送，智能實時傳感和靶向光（化學）治療等復雜任務，具有優異的生物醫學應用前景。
文章要點
圖丨熒光微納機器人的特點與性能
該綜述系統地闡釋了熒光微納米機器人的最新研究情況。首先簡要介紹了微納米機器人的推進機制和熒光原理與材料。然后重點論述了微納米機器人與熒光物質結合的各種現有策略，以及它們在成像引導藥物遞送、智能實時傳感和光(化療)治療生物醫學應用方面的現狀。最后總結了熒光微納米機器人的主要挑戰并展望了未來發展方向。
目前，將熒光物質與MNRs的結合主要有兩種策略：
1）一種是通過表面化學修飾、靜電吸附、物理包埋、超分子自組裝和非共價結合（包括π-π相互作用、氫鍵相互作用等）將熒光分子和納米顆粒負載到MNRs表面（或內部）；
2）另一種是使用熒光微/納米結構材料作為MNRs的主體，例如金屬有機框架（MOF）、共價有機框架（COF）和生物自發光熒光材料。
圖|熒光微納機器人的構建方法
所構建熒光MNRs在成像引導藥物遞送、智能實時傳感和光（化療）治療等方面具有良好的應用前景。在成像引導藥物遞送中，通過熒光“點亮”，熒光MNRs可以發出信號和/或自我報告它們在體內的空間位置信息和藥物遞送過程。在智能動態傳感中，裝載特定熒光物質的MNRs可識別各種分析物（包括 pH、氣體、基因和毒素等），并通過熒光波長偏移或熒光強度變化顯示分析物的濃度、位置和變化情況。在光（化學）療法中，用熒光物質功能化的MNRs可以對各種疾病進行化學、光動力、光熱、以及多模態協同治療。
經過最近20年的發展，盡管熒光MNRs取得了巨大的進步，但在實際應用之前仍有一些挑戰需要解決：
1）首先，由于缺乏深層組織高分辨率熒光成像技術以及在異質、動態復雜環境的運動能力，熒光MNRs的成像引導藥物遞送研究主要集中在體外實驗，體內研究很少，阻礙了其臨床轉化。
2）其次，在智能實時傳感方面，目前設計的熒光MNRs主要基于傳統的熒光材料，僅表現出微弱的熒光信號和簡單的“off-on”響應。同時，關于熒光MNRs的檢測限、選擇性和可逆性也缺乏深入的研究。
3）最后，用于光（化學）治療的熒光MNRs僅在體外實驗中被證實有治療效果，其體內診療一體化技術還有待開發。
未來可期
圖|智能“診療一體化”熒光微納機器人的未來發展方向。
作者指出熒光MNRs在未來有望成為高效智能診療平臺，重點研究方向包括以下8個方面：
1.開發具有長期生物成像穩定性的熒光MNRs，實現長期示蹤。
2.開發高分辨率的熒光MNRs，實現在體內高分辨成像。
3.開發在生物組織學窗口中工作的熒光MNRs，實現在體內深層組織中操作和示蹤。
4.設計具有多熒光發射的熒光MNRs，可以同時檢測多個目標，還可以在一個系統中集成多種功能，如成像、傳感和治療。
5.發展用于熒光MNRs的自主體內導航技術，實現基于體內視覺的閉環控制，全局和局部自適應路徑規劃。
6.開發生物能源驅動的熒光MNRs，例如體熱、肌肉機械能和內源性化學物質（例如CO2、葡萄糖、尿素、脂肪和ATP）驅動的熒光MNRs。
7.開發對超低濃度內源性化學物質（如pH、葡萄糖、CO2、尿素和谷胱甘肽等）響應的高靈敏趨化熒光MNRs，實現其自主趨化靶向并遞送藥物至病變組織，實現高效疾病治療。
8.開發具有集體協同功能的集群熒光MNRs。
官建國教授團隊自2012年開始致力于研究微納米馬達（機器人），在其生物相容性、運動可控性和智能尋靶特性等方面取得了重要原創性成果。代表性成果包括：
1. 以水為燃料的生物相容鎂基微米馬達
Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7208, http://dx.doi.org/10.1002/anie.201300913;
Research 2020, 2020, 6213981,
https://doi.org/10.34133/2020/6213981.
2. 智能趨光性TiO2微米馬達及其集群
Adv. Mater. 2017, 29, 1603374, http://dx.doi.org/10.1002/adma.201603374;
Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 6905, http://dx.doi.org/10.1039/C7CS00516D.
3. 以生物體內源性物質為燃料的自取向趨化性微納米馬達
Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwab066,
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab066.
原文鏈接：
Yang, M.; Guo, X.; Mou, F.; Guan, J., Lighting up Micro-/Nanorobots with Fluorescence. Chem. Rev. 2022, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00062
通信作者簡介：
官建國，武漢理工大學材料學科首席教授、材料復合新技術國家重點實驗室副主任，科技部重點領域“極端環境服役功能復合材料”創新團隊負責人。主持承擔國家重點研發計劃和863計劃等國家級重要科研項目20余項；提出磁介電吸波和多機理吸波超材料設計方法，構建“薄、輕、寬、強”吸波與電磁屏蔽涂層材料，在10余個國家重要工程上實現規模化應用和產業化；提出空間位阻型磁性光子晶體與納米光子鏈概念，研制出可實用化的光子晶體防偽油墨；發現趨光性人工微納米馬達，實驗證實自驅動微納米馬達趨化性的物理化學機制。在Natl. Sci. Rev.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.等國際知名期刊發表高水平論文300余篇，授權發明專利56項。兼任2個全國學會常務理事和多個國際學術期刊編委，指導培養碩士博士研究生和博士后180余名。獲多項榮譽稱號和獎勵，包括國家“萬人計劃”科技領軍人才、教育部“長江學者”特聘教授、新世紀百千萬人才工程國家級人選，英國皇家化學會會士，中國微米納米技術學會會士，高等教育國家級教學成果獎二等獎，軍隊科技進步一等獎，湖北省技術發明一等獎、教育部自然科學二等獎等9項國家和省部級教學科技成果獎勵。
牟方志，國家高層次青年人才，湖北省杰出青年基金獲得者，現任武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室研究員，博士生導師。主要從事微納米機器人研究，重點關注微納米機器人的驅動原理、相互作用、集群行為等基本科學問題，致力于發展仿生智能微納米機器人的生物醫學與微操縱應用研究。主持并承擔了國家級省級重要科研項目10余項，現已在Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Research等國際權威學術期刊上發表學術論文60余篇。
課題組主頁：http://guan.group.whut.edu.cn/
