英文原题：Nanorobot Swarms Made with Laser-Induced Graphene@Fe3O4 Nanoparticles with Controllable Morphology for Targeted Drug Delivery
作者：Hao Zhang‡, Yuanhui Guo‡, Yun Chen*, Bin Xie, Shengbao Lai, Huilong Liu, Maoxiang Hou, Li Ma, Xin Chen, Ching-Ping Wong
文章亮点
近年来，由于极小尺寸、极高灵活性以及能进入受限空间处理常规机器人无法完成的任务等优势，纳米机器人引起了人们的广泛关注。目前，纳米机器人在货物输送、体内诊断、靶向治疗和环境修复等领域都展现出巨大的应用潜力。通过模仿自然界的群体行为，可将大量的单个纳米机器人聚集形成纳米机器人集群，从而克服单个纳米机器人载物与输送能力有限的难题，极大地拓宽了纳米机器人可能的应用场景。此外，纳米机器人集群还具有可观的变形、重组和机动能力，使其适应复杂环境的能力大大增强。如载药的纳米机器人集群，可以通过尺寸急剧变化的复杂通道，集中到达目标区域并释放药物，大大提高了特定时间特定区域的药物浓度，从而保障治疗效果。然而，如何高效率地制造生物相容性好、靶向输送能力强的纳米机器人集群仍极具挑战。
近日，广东工业大学陈新/陈云教授团队提出了一种紫外超快激光一步诱导加工石墨烯@Fe3O4纳米颗粒基纳米机器人集群的方法。在磁场作用下，该纳米机器人集群能快速可控地转变为多种形态，包括涡旋状、条带状以及它们之间的相互可逆转换，展示出极高的可控性和灵活性。
如图1（a）和（b）所示，在加工过程中，当紫外激光作用在表面均匀沉积有FeCl3晶体的聚酰亚胺薄膜上，会产生局部的高温高压，使得表面的FeCl3晶体颗粒迅速地被氧化，形成Fe3O4纳米颗粒，同时下层的聚酰亚胺薄膜被转化为石墨烯。更重要的是，两者相互融合，形成大量天然具有超顺磁性的石墨烯@Fe3O4纳米粒子。将一定数量的该纳米粒子置于液体环境中，在旋转磁场和振荡磁场的控制下，可快速地形成具有形态转变能力的纳米机器人集群（图1（c）），并具有迅速通过复杂通道的能力（图1（d））。
图1. 石墨烯@Fe3O4纳米机器人集群的加工和控制原理图。（a）石墨烯@Fe3O4纳米粒子的激光加工。（b）激光加工的具体流程。（c）纳米机器人集群的形态转变。（d）纳米机器人给药示意图。
更值得一提的是，纳米机器人集群的最大前进速度高达2165μm/s（图2（a）），形态转换快速可控（图2（b）-（c））。此外，由于多孔石墨烯的存在，相比纯Fe3O4纳米粒子的纳米机器人集群，这种纳米机器人集群的载药能力提高了约50倍（图3（a）-（b））。因此，载药集群可快速通过宽度急剧变化的Z字形复杂通道，并在近红外光的照射下，释放出相当于96%初始载药量的药物，表明基于激光诱导石墨烯@Fe3O4纳米粒子的纳米机器人集群，可以在复杂环境中提供有效且可控的靶向给药。
图2. 纳米机器人集群在不同磁场下的性能表征。（a）不同俯仰角的涡旋状集群在旋转磁场下的移动速度。（b）集群横纵比与振荡磁场之间的关系。（c）振荡磁场的强度幅值比与集群横纵比之间的关系。
图3. 石墨烯@Fe3O4纳米机器人集群的载药和释放，及载药的纳米机器人通过复杂Z字型通道的演示。（a）DOX药物浓度标准曲线。（b）石墨烯@Fe3O4纳米粒子和Fe3O4纳米粒子在不同近红外光辐照时间下的药物释放浓度。（c）复杂Z字型通道的示意图。（d）载药纳米机器人集群在通道不同位置的光学图片。红色圆圈表示纳米机器人群的实时位置，红色箭头表示运动方向。
总结/展望
综上所述，本工作为高效制造具有高靶向药物输送能力的可变形态纳米机器人集群提供了一种有效的方法。研究成果以题为“Nanorobot Swarms Made with Laser-Induced Graphene@Fe3O4 Nanoparticles with Controllable Morphology for Targeted Drug Delivery”的论文发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。研究工作依托省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东工业大学为论文第一单位及通讯作者单位。硕士生张浩和博士生郭媛慧为文章共同第一作者，陈云教授为论文通讯作者。
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ACS Appl.Mater.Interfaces 2024, ASAP
Publication Date: October 8, 2024
https://doi.org/10.1021/acsami.4c10355
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
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