协同磁酶推进技术助力多模式纳米马达集群运作

《Nature Communications》：Synergistic magneto-enzymatic propulsion enables multimodal nanomotor swarms

　　

摘要

酶驱动的纳米马达通过转化化学反应产生的自由分子能量来实现自我推进。起初，这些系统主要作为单个颗粒使用，但如今越来越多地以群体形式被应用，这种集体效应使得它们能够在复杂环境中灵活导航、覆盖更广的区域，并提高局部颗粒浓度。不过，大多数研究都集中在平面群体上，而将磁导航与酶驱动运动相结合的集体系统则尚未得到充分探索。在此，作为机制层面的原理验证，我们展示了基于生物合成的磁小体、由脲酶驱动的纳米马达，这类马达能够以两种连续的集体模式运行：（i）整个群体的磁定位；（ii）由催化作用引发的、依赖于界面的群体扩展。我们在不同的条件下研究了这种催化性集体现象，包括颗粒和底物浓度、介质粘度以及限制条件等，并通过结合顶部/侧面成像以及使用无活性颗粒作为对照，着重区分由尿素驱动的浮力积累与由催化作用引起的界面扩散。最后，我们在磁场梯度作用下让该群体聚集在目标区域，进而触发催化性扩展。在自由界面扩展受到抑制的受限环境中，磁定位和局部富集仍然有效。这项工作并非旨在寻求特定的即时应用，而是建立了一种两步式的集体策略，阐明了某种独特催化群体模式的运作机制，同时明确了可能有助于未来在环境和生物医学领域应用多模式纳米马达群体的物理条件。