微型机器人处于生物医学研究的最前沿，有望在细胞内水平得到应用，如货物运送、传感、分子操作等。近日，来自捷克布拉格化工大学的Martin Pumera教授团队进行了基于有机颜料Janus微型机器人氢键纳米结构，具有进入癌细胞能力的相关研究。相关研究成果以“Hydrogen Bonding Nanoarchitectonics of Organic Pigment-Based Janus Microrobots with Entering Capability into Cancer Cells”为题于2022年12月20日发表在《ACS Nano》上。

图1 结构及流程示意图

本文开发了基于有机氢键色素家族成员喹吖啶酮和靛蓝材料的微机器人，通过不对称铂金沉积在相应拥有均匀尺寸和形状分布的喹吖啶酮和靛蓝微粒子上，微机器人在有过氧化氢的情况下表现出自主运动能力。在紫外线照射下得到进一步加强。在小鼠结直肠癌细胞存在下研究基于色素的微机器人，观察到其可被内化到细胞中。本研究通过采用纳米结构学原理，制造氢键有机颜料基微机器人，为微型机器人在生物医学进展提供有意义研究。

图2 基于有机颜料微型机器人的制造示意图

基于颜料微粒子的合成：喹吖啶酮和靛蓝颜料氢键有机颜料作为微机器人应用，由于π-π堆叠和分子间氢键，喹吖啶酮和靛蓝不溶于有机溶剂。只有将喹吖啶酮和靛蓝变成潜伏的喹吖啶酮和潜伏的靛蓝，用N-H键的氢原子代替t-boc。该反应通过将颜料与二叔丁醇保护基反应来进行。颜料与二碳酸二叔丁酯（Boc O）在24-二甲基氨基吡啶（DMAP）的存在下，t-boc保护基阻止颜料分子的氢键，使所得材料可溶于普通有机溶剂。因此，通过热注射将溶液加工成微粒子可行，油酸用作配位溶剂，油酰氯用作配体分子，热去除t-boc基团时控制微粒子生成。在氯仿分散体中研究基于颜料的微粒子的光学特性。喹吖啶酮和靛蓝分散体都表现出在可见光谱内吸收，最大值定位在602纳米。

图3 基于有机颜料微粒子表征

接着进一步研究微粒子在水环境中光学特性。喹吖啶酮微粒子吸收光谱在600纳米处最大值，为S0-S1转变信号，在489和528纳米处有振子结构信号。靛蓝胶体水溶液的吸收光谱在可见光范围内只有一个吸收峰，其最大值在712纳米。与氯仿分散液相比，吸收最大值明显发生约110纳米的变色。这种转移是由于水环境的极性比氯仿溶液高而产生溶色效应。归因于质子通过氢键转移到水分子上的偏好。SEM微粒子的形态研究显示：喹吖啶酮微粒子呈现方形片状的形状。靛蓝微粒子椭圆形的片状形态，但片状的尺寸分布不如喹吖啶酮微粒子均匀。潜伏的喹吖啶酮和潜伏的靛蓝的C O信号分别移动到1641和1680 cm-1。在微粒子制造过程中，通过热裂解t-boc基团来控制N-H基团的脱保护，导致在微粒子中形成氢键。

图4 微型机器人光学和结构表征

研究人员通过在微粒子上非对称涂上厚度为30纳米的铂金层而制造了氢键色素基微机器人，在光学光谱中没有观察到明显的变化，表明铂的存在并不影响光学特性。即使在加工成微型机器人时，仍能观察到喹吖啶酮微粒子在水环境中的光致发光特性。同时SEM图像中没有观察到形态上明显变化。为确认铂金在微机器人结构中的存在，进行了能量色散X射线光谱（EDX）测绘，在两个样品的碳、氧和氮中都检测到铂金的信号。

图5 CT26细胞内微机器人的内化

共聚焦对CT26细胞在微机器人存在下变化进行分析。结果显示微机器人在15分钟内内化到细胞中，在细胞质中积累，与相应微粒子相比，微机器人能更好内化细胞。同样，使用燃料明显改善微机器人对细胞的内化，在细胞暴露于微机器人/微粒子和H2O2的存在下，细胞形态强烈变化，表明细胞减少面积，限制它们与环境接触。应用过氧化氢驱动微机器人时，可以加强并易触发，采用纳米结构原理微机器人设计的多样性，在特定应用情况下，定制微机器人结构时可以考虑进一步修改。不同金属可以用来进一步功能化基于氢键颜料的有机微机器人。如银已适合用于制造Janus纳米/微机器人的生物相容性金属，而镓由于其抗炎作用最近也开展相应研究。

总之，本文研究了能够内化到小鼠癌细胞的有机氢键色素基微粒子。喹吖啶酮和靛蓝Janus微机器人通过不对称铂金涂层制作。自主微机器人以过氧化氢为燃料，内化到癌细胞的能力不受铂金存在的影响。考虑到用生物分子装饰氢键有机颜料的可行性和其光电化学活性，该研究可进一步扩大，为微机器人提供所需的额外功能，用于生物医学研究。构建细胞结构类器官模型，促进基础医学研究、药物筛选和再生医学发展。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c05585