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本文是一篇关于 Janus 结构微纳马达（MNMs）的综述，详细介绍其自驱动机制，包括化学驱动（如 H2O2、N2H4等为燃料）和外部场驱动（光、磁、超声、电场）。同时阐述了其在癌症治疗、生物成像、生物传感等生物医学领域的应用及面临的挑战与机遇。
引言
微纳马达（MNMs）是一类能将不同形式能量转化为机械能，并在液体环境中展现出自驱动运动的微纳尺度装置。因其独特的自主运动能力，以及在液体介质中负载、运输和释放物质的特性，在癌症诊断与治疗、生物传感、环境修复和先进纳米制造等多领域备受关注。其自主移动性有助于穿透生物屏障，在靶向药物递送和肿瘤深部渗透方面潜力巨大。
MNMs 依据驱动力来源可分为化学驱动（如以 H2O2、尿素、H2O、N2H4等为燃料）和外部场驱动（超声场、磁场、光场、电场）两类，运动机制包含气泡推进、自扩散泳和自电泳等。Janus 纳米粒子（JNPs）因具有两个不同的面，能整合多种组分获得恒定梯度，打破传统对称性，为 MNMs 研究提供了新方向。本文将对 Janus 结构 MNMs 的发展、特性、分类、驱动机制及其在生物医学中的应用进行综述，并探讨其面临的挑战与未来发展机遇。
化学驱动的 Janus 微纳马达
在纳米尺度，物体的运动受布朗扩散影响，实现持续运动颇具挑战。化学驱动的 MNMs 基于化学反应和能量转换，展现出良好的应用潜力。设计这类 MNMs 的关键在于探索能通过特定化学反应打破装置静力平衡的化学燃料。Janus MNMs 可由过氧化氢（H2O2）、肼（N2H4）、水（H2O）和尿素等燃料物质分解驱动，通过气泡反冲或泳动机制产生推进力。
H2O2驱动的微纳马达
H2O2是化学驱动 MNMs 常用的燃料，在催化剂作用下，H2O2分解为 H2O 和 O2，驱动 MNMs 运动。相关催化剂种类多样，包括金属催化剂（如 Pt）、过渡金属氧化物（如 MnO2、Fe3O4）和生物催化剂（如酶）等。其中，Pt 因高效稳定被广泛应用。例如，Paxton 等人开发的由 Pt 和 Au 段组成的纳米棒马达，在 H2O2溶液中，H2O2在 Pt 端氧化、Au 端还原，产生自诱导电场，推动带负电的纳米棒通过自电泳向 Pt 端移动。
然而，Pt 基 MNMs 成本较高，限制了其大规模应用。相比之下，价格低廉且催化活性高的 Mn 基材料成为推动 H2O2燃料 MNMs 发展的有前景的活性成分。同时，研究人员还探索了过氧化氢酶（CAT）等生物替代品，以解决 MnO2的生物毒性问题。此外，通过杂原子掺杂和合金化策略可调节 Pt 基 MNMs 的表面催化性能，提升纳米马达的机械运动能力。
N2H4驱动的微纳马达
H2O2驱动的 MNMs 在低浓度时效率受限，而 N2H4作为替代燃料，具有极低的燃料浓度阈值，能在低浓度下驱动 MNMs。如 Gao 等人合成的 SiO2基 Janus 微马达，通过在 SiO2颗粒一侧溅射沉积 Ir，催化 N2H4分解产生 N2、H2和 NH3，推动微马达运动。此外，沉积顺磁性 Ni 层可使微马达响应磁场，实现定向运动。
H2O 驱动的微纳马达
生物相容性燃料对 MNMs 在医学生物学中的应用至关重要，H2O 与活性金属反应可满足这一需求。Wang 等人合成的 Al - Ga H2O 驱动的 Janus 微马达，反应产生 H2气泡，速度可达 3 mm/s。H2O 驱动的 MNMs 具有自降解特性，无需复杂回收程序。Chen 等人制备的 Mg/ZnO、Mg/Si 和 Zn/Fe Janus 微马达，与 H2O 反应产生生物体所需离子。Wu 等人开发的细胞模拟 Janus 微马达，利用红细胞膜、Au 纳米颗粒和藻酸盐整合到部分嵌入石蜡的 Mg 颗粒中，Mg 与生物介质中的 H2O 反应产生 H2气泡为马达供能。
尿素驱动的微纳马达
尿素是哺乳动物体内普遍存在的代谢产物，在血液和膀胱中浓度不同，可作为微马达治疗膀胱相关疾病的潜在能源。与有毒燃料相比，尿素具有生物相容性好、效率高和生物利用度高等优势。脲酶可催化尿素分解为 NH3和 CO2，产生浓度梯度驱动 MNMs 运动。
Sánchez 等人证明了尿素驱动的介孔 SiO2纳米粒子可靶向膀胱癌细胞。Guan 等人开发的超小脲酶驱动 Janus 纳米粒子（UPJNMs），尺寸可精确调控，其运动受尿素浓度梯度影响。Ma 等人制备的 Janus 空心 mSiO2微粒，通过调节脲酶活性控制微粒运动速度。此外，Wang 等人合成的 Janus 血小板微马达（JPL - motors），在体外药物递送研究中表现出良好性能，其主动运动可加速与癌细胞的特异性黏附。
葡萄糖驱动的微纳马达
葡萄糖是人体细胞的重要能量来源，可在葡萄糖氧化酶（GOx）催化下产生葡萄糖醛酸和 H2O2，H2O2经 CAT 分解为 MNMs 提供动力。以葡萄糖为燃料的 MNMs 需两种不同催化剂分别催化葡萄糖分解和 H2O2分解。
为提高效率，可在 MNMs 结构中引入不同生物酶，或整合酶和金属催化剂产生化学级联反应。例如，St?dler 等人组装的亚微米级 Janus 粒子，一侧装饰 GOx 和 CAT，以葡萄糖为燃料展现出依赖葡萄糖浓度的增强扩散行为。Ji 等人报道的 GOx 驱动的 Janus Au 纳米游泳者，表面接枝聚合物刷后，在不同浓度葡萄糖溶液中速度显著提升。
外部场驱动的 Janus 微纳马达
化学驱动 MNMs 虽有效，但实际环境中燃料浓度不足限制了其在生物医学中的应用。为解决这一问题，可采用无燃料驱动机制，利用光、磁场、超声和热能等外部刺激推动马达，拓展其应用潜力。
光驱动的微纳马达
光作为外部刺激，可避免使用有毒化学燃料，实现 MNMs 的高效驱动。光驱动 MNMs 利用光催化或光活性材料将光能转化为机械能。通过调节光的强度、频率和偏振，可控制微马达在液体环境中的速度和方向。根据驱动光的波长，可分为近红外（NIR）、可见光和紫外（UV）驱动的 MNMs。
NIR 光具有无线、远程能量控制、能穿透深部组织和可逆光开关等特性，在驱动 MNMs 方面极具吸引力。Au 纳米壳等光热材料在 NIR 照射下可产生光热效应，实现癌细胞的光热治疗（PTT）和热泳运动。如 van Hest 等人制备的可生物降解的 Janus 纳米球，在 NIR 光照射下可产生热梯度，实现光热驱动运动。Deng 等人合成的具有群体行为的 MNMs，在 NIR 照射下可引发对流流动，驱动 MNMs 集体运动。Cheng 等人提出的由热敏聚合物膨胀和收缩驱动的纳米马达概念，通过 NIR 激光控制温度，实现纳米马达的运动和肿瘤治疗。
可见光具有良好的生物相容性、宽光谱覆盖和较深的组织穿透深度，可作为驱动 MNMs 的有效外部刺激。Wang 等人制备的 Janus TiO2/Au 纳米马达，在白色卤素冷光源照射下，运动增强。Pane 等人开发的多波长光响应 Janus 微马达，在不同光照射下通过自扩散电泳机制运动。BiOI 微球和 Ag/AgCl 复合材料等也可在可见光驱动下实现微马达的运动，且 Ag/AgCl 基微马达在纯水中表现出高运动性。
UV 光可显著增强 MNMs 的推进力，多种材料（如 WO3@C、TiO2和金属 / TiO2复合材料等）已用于制备 UV 驱动的 MNMs。Zhang 等人开发的 UV 光驱动 Janus 微马达，在 UV 照射下通过自扩散机制运动。Dong 等人制备的 TiO2基 Janus 微马达，结合磁性和 UV 驱动，可实现精确的定向运动。Wang 等人制备的 TiO2 - Fe Janus 微马达，集成了成本效益高的金属 Fe 和传统光催化剂 TiO2，实现了自电泳运动和对外部磁场的方向控制响应。
磁驱动的微纳马达
磁场驱动纳米粒子的运动已被广泛认可，在生物医学应用中具有高穿透性、非侵入性和精确导航能力等优势。通过修饰 MNMs 使其具有铁磁成分，可在外部磁场作用下实现推进，且运动方向和速度可远程精确控制。
Co 和 Ni 是磁驱动纳米马达常用的元素，通常通过物理气相沉积（PVD）进行修饰。Schmidt 等人开发的 SiO2基 Janus 马达，结合催化和磁帽结构，实现了确定性运动。Chen 等人合成的 Janus 微马达，通过磁控溅射在 SiO2微球上涂覆 CoFe2O4 - BaTiO3双层复合半球，可用于按需功能驱动。Li 等人开发的新型微二聚体表面行走器，由两个磁性连接的 Ni/SiO2Janus 微球组成，在振荡磁场中可实现快速精确的磁转向。但这类纳米马达中含有的反应性元素（如 Co、Ni）在生物环境中可能释放离子，影响生物相容性。
超声驱动的微纳马达
超声技术可用于控制和推进 Janus 结构 MNMs 的运动，具有可定制运动行为、寿命长、非侵入性、无接触操作和深部组织穿透等优点。超声通过形成压力梯度，调节超声频率、方向或开关周期，可控制微马达的运动，还可通过间歇性切换声波实现微马达的捕获和运输。
Li 等人合成的 Janus 杆状微马达用于血栓的声动力治疗，利用 CaO2纳米粒子分解产生的 O2气泡在超声作用下产生的空化效应驱动血栓穿透。另一项研究表明，密度不对称的 Janus 微马达在外部磁场和超声辐射共同作用下，可实现更高的推进速度。Wang 等人开发的磁声混合无燃料纳米马达，结合了磁性和声学推进，具有可逆的群体状态和集体行动能力，适用于高离子强度的生物环境。
电驱动的微纳马达
电场可驱动多种 MNMs，电场驱动的 MNMs 通常需要导电材料来有效响应电场。由于库仑相互作用，带电粒子向相反电荷的电极移动，可利用交变电流（AC）电场调节粒子运动。
研究人员开发了多种电场驱动的 Janus MNMs，可通过不同频率或极化的电场控制其运动方向。Yan 等人开发的 Si 球基纳米马达，利用金属和 Si 半球的不同极化，通过调节局部电场强度产生离子流实现推进。Wang 等人设计的策略，利用叉指微电极设计限制、推进和收集金属 - 介电 Janus 微马达。Dou 等人探索了金属 - 介电 Janus 粒子在平行电极间的接触电荷电泳动力学，发现粒子的运动表现出振荡和相互作用。Peyrade 等人创建的 Au/Pt 双层 Janus 微马达，通过 AC 电渗和正介电电泳实现二维运动。
Janus 微纳马达的应用
Janus MNMs 因其独特的各向异性结构、多样的组成和卓越的性能，在生物医学研究领域备受关注。以下将详细介绍其在癌症治疗、生物成像和生物传感方面的应用。
癌症治疗
MNMs 在癌症治疗中可用于根除癌细胞，药物递送是一种成功的治疗方法。具有光热治疗（PTT）效果的 Janus MNMs 备受关注，其利用光能产生热能，有效消除癌细胞，且副作用小、肿瘤靶向性好。Tu 等人制备的 NIR 光驱动 Janus 纳米粒子，负载吲哚美辛（IND）并装饰 4T1 癌细胞膜（CCM）囊泡，在激光照射下，通过热机械穿透效应和 CCM 囊泡修饰，增强了与肿瘤组织的特异性相互作用，提高了 PTT 疗效，同时 IND 可减轻 PTT 引起的炎症反应。
光动力治疗（PDT）也是一种有前景的癌症治疗方法，其利用光激活的光敏剂产生细胞毒性单线态氧（1O2）来消除细胞或细菌。但由于光敏剂周围3O2可用性有限和1O2扩散范围短，限制了 PDT 的效率。Ma 等人开发的 Janus 酶促微马达，以空心 mSiO2微球为载体，通过尿素酶消化驱动主动运动，克服了 PDT 的局限性，提高了治疗效果。
然而，PTT 和 PDT 在实际应用中面临一些挑战，如光敏剂在肿瘤内的积累和穿透有限、存在剂量依赖性副作用等。Li 等人开发的持续发光激活纳米粒子，结合持续发光实现了 PTT 和 PDT 的有效结合。Zheng 等人构建的化学 - NIR 双驱动 IR820@CuS/Pt Janus 纳米粒子，通过催化肿瘤内源性 H2O2为 O2，缓解肿瘤缺氧状态，促进纳米马达的化学推进，增强了肿瘤积累、细胞摄取和深部肿瘤穿透，提高了 PTT/PDT 疗效。Chen 等人合成的双源驱动降落伞形 Au2Pt@PMO@ICG Janus 纳米粒子（APIJNS），结合了 PTT、化学动力学治疗（CDT）和 PDT，通过多种机制协同作用，提高了癌症治疗效果。
生物成像
Janus MNMs 在多种成像技术（如光学、超声、光声和磁共振成像（MRI））中得到广泛应用，其动态行为可增强成像对比度。Lin 等人开发的 NIR 光驱动 Janus 纳米机器人，可用于可视化细胞内 miRNA，克服了探针自由扩散的限制，提高了信号强度。
MRI 是一种有效的体内非侵入性成像工具，但成像剂在实体肿瘤组织和细胞中的穿透有限，影响癌症诊断的准确性。Wang 等人开发的基于 Gd 掺杂 Janus mSiO2纳米粒子的 NIR 光驱动纳米粒子，具有良好的光热性能，可通过热机械穿孔肿瘤细胞膜提高细胞内化和 MRI 能力，增强肿瘤区域的 MRI 信号强度。
不同成像模态可结合使用，发挥各自优势。Sitti 等人开发的磁驱动 Janus 表面微辊，通过半涂覆铁磁 FePt 合金纳米膜，具有优异的磁性和生物相容性，可实现实时多模态成像，在模拟循环系统中展现出导航控制潜力。Ma 等人开发的多功能 Janus 纳米粒子，结合多种诊断和治疗功能，可通过荧光成像 / 光声成像清晰显示肿瘤位置和轮廓，为 NIR 光触发的 PDT/PTT 协同治疗提供实时监测。
生物传感
生物传感器是一种能将生物物理或化学反应转化为可测量信号的装置，Janus MNMs 表面可方便地进行功能化修饰，用于识别和检测目标分子，在生物体内特定物质检测中具有应用潜力。
静态 Janus 乳液与目标受体的相互作用有限，而自驱动 Janus 传感器可增强受体结合，提高检测效率。荧光传感在癌症检测中具有前景。Zhao 等人构建的 Janus 杆，一侧嫁接 CAT 作为运动增强捕获循环肿瘤细胞（CTCs）的动力源，另一侧修饰用于荧光传感的分子，在捕获 CTCs 时荧光发生变化，实现对 CTCs 的检测。Ma 等人开发的 Janus Au@mSiO2@Pt 运动探针，可增强抗原 - 抗体相互作用的结合概率和效率，用于定量检测胃蛋白酶原 I（PG I）和胃蛋白酶原 II（PG II）。
Russell 等人展示的用于降钙素原检测的 Janus 传感器，通过<
