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微納米馬達(dá)是能夠?qū)⑵渌问侥芰哭D(zhuǎn)化為機(jī)械能并實現(xiàn)特定目標(biāo)任務(wù)的微小型器件。由于生物酶的天然來源特性、溫和反應(yīng)條件以及底物燃料無毒性的特點，酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。本文介紹了酶驅(qū)動馬達(dá)的種類、運動機(jī)理、生物醫(yī)學(xué)與傳感檢測等應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，并展望了其在未來發(fā)展中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

01、研究內(nèi)容簡介

生物酶是天然的生物催化劑，具有很高的特異性和催化效率。而且酶是一種廣泛存在于生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)，酶觸發(fā)的生物催化反應(yīng)為活細(xì)胞的大部分生理活動提供能量，這些反應(yīng)通常發(fā)生在較為溫和的生理環(huán)境中，且利用生理環(huán)境可獲得的底物作為燃料，因此酶反應(yīng)體系具有良好的生物相容性。目前，大多數(shù)微納米馬達(dá)的制備材料或驅(qū)動方式對生物細(xì)胞具有毒害作用，無法應(yīng)用到生物體內(nèi)，這極大地限制其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)微納米馬達(dá)相比，由于酶具有良好的生物相容性、天然的催化底物以及溫和的酶促反應(yīng)條件，酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。本文介紹了不同類型的酶驅(qū)動馬達(dá)，包括單酶馬達(dá)、分子馬達(dá)和由不同酶推動的人工微納馬達(dá)，并討論了酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的推進(jìn)策略和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，以及影響其運動行為的關(guān)鍵因素，闡述了酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的各種生物醫(yī)學(xué)和傳感檢測應(yīng)用。最后，本文對酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在未來發(fā)展中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

圖1：生物酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的種類匯總

（1）第一部分主要介紹酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的種類以及驅(qū)動機(jī)制（圖1）：驅(qū)動蛋白、動力蛋白、ATP合成酶等生物體內(nèi)天然存在并且可以參與生化反應(yīng)的這一類分子馬達(dá)可以被認(rèn)為是天然的酶驅(qū)動微納米馬達(dá)。生物酶觸發(fā)的催化反應(yīng)可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并可用于驅(qū)動這些微納泵和微納馬達(dá)。除了自身可作為馬達(dá)的生物酶以外，通過化學(xué)修飾或物理吸附的方式將生物酶修飾到不同的微納米結(jié)構(gòu)，并利用酶催化反應(yīng)提供驅(qū)動力，可以實現(xiàn)人工微納馬達(dá)的自驅(qū)動運動。為了解決化學(xué)驅(qū)動馬達(dá)燃料毒性問題，科研工作者采用脲酶分解尿素的催化反應(yīng)，利用自電泳或自擴(kuò)散泳的方式推動微納米馬達(dá)運動。同時脲酶分解尿素過程中幾乎不產(chǎn)生氣泡，有利于馬達(dá)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。除過氧化氫酶以及脲酶外，自然界中存在多種生物酶可以用于未來不同微納米馬達(dá)的制備。開發(fā)各種不同生物酶驅(qū)動的微納米馬達(dá)可以進(jìn)一步極大豐富酶馬達(dá)的驅(qū)動方式以及應(yīng)用場景。

（2）第二部分主要總結(jié)了關(guān)于酶驅(qū)動馬達(dá)自推進(jìn)運動的機(jī)理。首先單酶作為天然分子馬達(dá)，在酶反應(yīng)的過程中，酶蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度梯度、以及反應(yīng)熱效應(yīng)、化學(xué)聲學(xué)效應(yīng)等，都對單酶納米馬達(dá)的增強(qiáng)擴(kuò)散運動起著重要作用。把酶反應(yīng)體系作為一種驅(qū)動力來源，通過不同的推進(jìn)機(jī)制可以驅(qū)動化學(xué)合成的人工微納結(jié)構(gòu)，從而組裝成酶驅(qū)動人工微納馬達(dá)。比如在酶反應(yīng)過程中可以產(chǎn)生物質(zhì)濃度梯度場，進(jìn)而通過自泳效應(yīng)來推進(jìn)酶馬達(dá)的運動(圖2)；氣泡推進(jìn)也是一種典型的驅(qū)動方式，是由過氧化氫酶分解過氧化氫產(chǎn)生氧氣來實現(xiàn)氣泡驅(qū)動。其次，酶的趨化行為對酶微納馬達(dá)的智能仿生靶向運動提供了可能性。最后，本文簡要討論了酶驅(qū)動微納馬達(dá)運動的各種影響因素。

圖2：不同人工合成酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)理。

圖3：酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

（3）第三部分主要回顧了酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在藥物遞送、生物傳感以及環(huán)境治理等方面的應(yīng)用。由于酶驅(qū)動微納米馬達(dá)具有良好生物相容性和可控運動，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在靶向藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中（圖3）。例如，對于靶向藥物遞送，酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的運動可以克服一定的生物屏障，提高藥物遞送的效率，改善治療效果。在光動力治療，酶驅(qū)動微納米馬達(dá)的運動性質(zhì)能夠促進(jìn)單線態(tài)氧的擴(kuò)散，增強(qiáng)光動力治療效率。酶驅(qū)動微納米馬達(dá)還可以作為一種可移動平臺，利用各種分析信號(運動速度、顏色和熒光)的變化來實現(xiàn)對生物化學(xué)物質(zhì)的傳感檢測，拓展其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

雖然酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在生物相容性方面具有一定的優(yōu)勢，但是其生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。同時，單酶馬達(dá)和酶驅(qū)動馬達(dá)的自驅(qū)動機(jī)制仍存在較大爭議。其次，針對酶驅(qū)動微納米馬達(dá)在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用，仍需要提高其推進(jìn)力，以克服周邊復(fù)雜環(huán)境帶來的阻力，例如目前提高驅(qū)動力的方法包括改變馬達(dá)形狀以適應(yīng)流體動力學(xué)，增加酶的催化能力(如增加酶的催化單位)，以及使用級聯(lián)反應(yīng)等等。在未來，除了目前報道的策略外，還需要引入更先進(jìn)的分析或測試技術(shù)，驗證酶促反應(yīng)產(chǎn)生推進(jìn)力的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，為未來發(fā)展具有更強(qiáng)推進(jìn)能力的高效酶驅(qū)動微納米馬達(dá)提供基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

02、通訊作者簡介

第一作者：袁昊

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），2018級碩士研究生，研究方向為自驅(qū)動微納米馬達(dá)污染環(huán)境運動行為及降解性能研究。

劉小霞

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），2020級博士研究生，酶驅(qū)動微納米機(jī)器人用于生物檢測。

王麗英

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），2020級博士研究生，自驅(qū)動微納米馬達(dá)的運動性能研究及其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

通訊作者：馬星

博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料學(xué)院教授、博導(dǎo)，廣東省青年五四獎?wù)芦@得者，德國洪堡學(xué)者。馬星博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所博士后，曾獲馬普智能所杰出青年科學(xué)家獎，2016年破格入選國家青年人才計劃，深圳市孔雀計劃B類人才。擔(dān)任中科院一區(qū)期刊《材料科學(xué)與技術(shù)（英文版）》學(xué)術(shù)副主編，中國微米納米技術(shù)學(xué)會微納執(zhí)行器分會理事。馬星博士迄今發(fā)表論文100余篇，包括Adv. Mater.，JACS, Angew Chem., ACS Nano等國際頂級期刊，引用6000余次（Google Scholar）, H因子38。

03、資助信息

該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（51802060 ）、深圳市科技計劃項目(KQTD20170809110344233)、深圳灣實驗室項目(SZBL2019062801005)和廣東省自然科學(xué)基金項目(20119a1515010762)的資助的支持。

04、原文信息

Hao Yuan#, Xiaoxia Liu#, Liying Wang, Xing Ma∗. 

Fundamentals and applications of enzyme powered micro/nano-motors. 

Bioactive Materials 6 (2021)1727-1749.