纳米技术的应用：开启未来科技新纪元
纳米技术作为一种前沿科技，已经深入到我们生活的方方面面。本文将从纳米技术的定义、特点、应用领域以及未来发展等方面，全面探讨纳米技术的应用及其对人类社会的巨大影响。
一、纳米技术的定义与特点
1. 定义
纳米技术是指研究和应用在尺寸尺度为纳米级别（1-100纳米）的材料、器件和系统的科学和技术。在这个尺度上，物质的物理、化学和生物学性质将发生显著变化，呈现出独特的现象和应用价值。
2. 特点
纳米技术具有以下几个显著特点：
（1）高比表面积：纳米材料的比表面积大，能够提供更多的反应活性位点，提高化学反应速率。
（2）量子效应：在纳米尺度上，量子效应开始显现，为纳米器件的性能提升提供了新的途径。
（3）尺寸效应：纳米材料的尺寸效应使其具有特殊的力学、热学、电学等性能。
（4）生物兼容性：纳米材料具有良好的生物兼容性，可应用于生物医学领域。
二、纳米技术的应用领域
1. 医药与生物领域
纳米技术在医药领域的应用主要体现在以下几个方面：
（1）药物载体：纳米材料可作为药物载体，实现药物的靶向输送，提高药效，降低副作用。
（2）生物检测：纳米传感器具有高灵敏度、高特异性，可用于生物检测、疾病诊断等领域。
（3）基因治疗：纳米技术在基因治疗领域具有广泛的应用前景，如利用纳米载体将基因药物准确送入靶细胞。
2. 能源与环境领域
纳米技术在能源和环境领域的应用包括：
（1）太阳能电池：纳米技术可提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本，推动太阳能产业的发展。
（2）储能材料：纳米材料可用于制备高性能的锂离子电池、超级电容器等储能设备。
（3）催化剂：纳米催化剂具有高活性、高选择性，可用于环境治理、能源转化等领域。
3. 电子与信息领域
纳米技术在电子与信息领域的应用包括：
（1）纳米电子器件：如纳米晶体管、纳米存储器等，具有高性能、低功耗的特点。
（2）传感器：纳米传感器具有高灵敏度、宽检测范围，可用于环境监测、生物检测等领域。
（3）光电子器件：纳米光电子器件具有优异的光电性能，可应用于光通信、光电器件等领域。
4. 材料科学领域
纳米技术在材料科学领域的应用包括：
（1）纳米复合材料：具有优异的力学、热学、电磁学等性能，可应用于航空航天、汽车等领域。
（2）纳米涂层：具有独特的光学、力学、防腐蚀等性能，可应用于建筑材料、精密仪器等领域。
（3）纳米润滑：纳米润滑技术可降低摩擦系数，提高设备的运行效率和寿命。
三、纳米技术的未来发展
1. 纳米制造技术
随着纳米技术的发展，纳米制造技术将成为未来制造业的核心。纳米制造技术包括纳米加工、纳米组装、纳米打印等，将实现纳米材料的规模生产和应用。
2. 纳米生物技术
纳米生物技术将推动生物医学领域的革命性变革，如利用纳米技术实现精准医疗、个性化治疗等。
3. 纳米能源技术
纳米能源技术将助力新能源的开发和利用，实现能源的高效、清洁和可持续发展。
4. 纳米信息技术
纳米信息技术将推动信息技术的发展，实现更高速、高效的信息传输和处理。
纳米技术作为一种前沿科技，已经展现出巨大的应用潜力。随着研究的深入和技术的不断发展，纳米技术将在医药、能源、电子、材料等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会带来更加美好的未来。
科学家研发光驱动纳米马达实现运动速度，用于药物递送及精确成像
近日，博士毕业于哈尔滨工业大学贺强教授课题组、目前在荷兰埃因霍温理工大学扬·C·M·范·赫斯特（Jan C. M. van Hest）课题组从事研究工作的邵婧鑫博士及所在团队，利用具有“碗型”形貌的聚合物囊泡负载金纳米粒子，设计出一种由光热驱动的纳米马达。
纳米马达在生物医学领域具有广泛的应用前景。通过自主运动，纳米马达能够用于药物靶向递送、疾病早期诊断与监测、组织再生与修复、生物成像、基因治疗、以及抗菌和抗肿瘤治疗。
本次制备的光驱动纳米马达，通过负载相应的“货物”，如抗菌和抗肿瘤药物、生物标志物、生长因子、生物成像荧光分子、基因编辑工具（CRISPR/Cas9）等，可以应用于上述各个领域。
除此之外，该成果具有光热响应性，因此也可用于光热治疗，并与负载“货物”的相应功能相结合，进一步拓展其应用领域。
另外，金纳米粒子还可以作为电子计算机断层扫描（CT，ComputedTomography）成像的造影剂。
因此，本研究中所制备的纳米马达有望用于精确的成像，在递送药物的同时，追踪纳米马达在体内/体外的运动及富集情况。
对于相关论文[1]，审稿人高度评价了本次光驱动纳米马达的优异性能。
并高度赞赏了课题组使用冷冻透射电子显微镜来表征和分析纳米马达的形貌的做法。
预计本次成果将为设计和制备基于软材料的纳米马达提供新的思路，同时为纳米马达的形貌表征、运动机理的探索提供新的启发。
（来源：Nature Communications）
制备“碗型”聚合物囊泡
据介绍，具有形貌可控和功能集成的聚合物囊泡，是一种优异的药物载体，在生物医学领域有着广泛的应用。
相比于球形聚合物囊泡，“碗型”结构的聚合物囊泡具有额外的负载空间，即中空内陷的腔体。
为进一步挖掘并扩展聚合物囊泡的应用领域，邵婧鑫所在团队充分利用这一腔体的负载能力，装载具有不同功能和特性的“货物”，并应用于各个领域。
例如，他们曾将白金纳米粒子负载于内腔中，成功制备了基于聚合物囊泡的气泡驱动纳米马达[2]；
以及将酶负载的“碗型”聚合物囊泡用于制备酶驱动的纳米马达 [3]；
并将二氧化锰纳米粒子负载的可降解的“碗型”聚合物囊泡，用于肿瘤组织的有效穿透和深度药物运输 [4]。
基于前期工作，本研究的初始构想是将金纳米粒子负载到“碗型”可降解聚合物囊泡的内腔中，制备具有光热响应性的聚合物囊泡，以构建光驱动的聚合物纳米马达，并将其用于光热抗肿瘤治疗。
然而，受到表面功能化技术的启发，他们将研究重点从内腔负载转向金纳米粒子在聚合物囊泡表面的功能化，以进一步提高负载效率。
另据悉，此前他们通过溅射镀膜的方法构建了 Janus 球型聚合物囊泡 [5] 及 Janus“碗型”聚合物囊泡 [6]，并将其用于制备光驱动纳米马达。
通过对其运动进行精准控制，实现了药物运输、细胞内递送和深层组织穿透等应用。
据介绍，纳米马达能将外界能量转化为机械能，从而实现自主驱动运动。
与传统纳米药物载体（没有自主运动能力）相比，纳米马达作为载药体系，可以更有效的进行胞内递送，并可进入深层组织的内部。
光驱动纳米马达，因其在空间和时间上对运动行为的精确控制，得到广泛关注。
迄今为止，多种形貌的纳米金材料，如金纳米粒子、金纳米壳、金纳米棒、金纳米星等，均已被引入光驱动纳米马达体系的设计与制备之中。
通常，以聚乙二醇-b-聚苯乙烯为组装材料的聚合物囊泡具有相对刚性的膜结构，更易于利用溅射镀膜的技术构建金-聚合物杂化的聚合物囊泡。
然而，以可降解两亲性聚合物聚乙二醇-聚-D-乳酸为组装单元的聚合物囊泡，则具有相对柔性的膜结构，因此溅射镀膜技术在这种情况下将不再适用。
基于此，对聚乙二醇-聚-D-乳酸聚合物囊泡进行表面功能化将更具挑战性。
（来源：Nature Communications）
将不同外源“货物”送至细胞
据介绍，与其他类型的纳米马达（如化学驱动马达）相比，光驱动马达具有许多独特的优势。
首先，光驱动马达能够进行远程操控，无需直接接触，避免了接触性调控对运动行为的干扰，更适用于精细的生物医学应用。
其次，通过使用近红外激光，可实现组织深层穿透并获得光热响应性功能。
通过调节光源的强度、波长、入射光的角度等，可以精确调节纳米马达的运动行为及运动方向，使其能在复杂环境中发挥应用价值。
这些优势使光驱动纳米马达在生物医学和其他领域具有广泛的应用前景。
鉴于此，本课题致力于拓展“碗型”聚合物囊泡的应用领域，设计并制备光驱动聚合物纳米马达。
（来源：Nature Communications）
如前所述，受到课题组前期工作的启发，本次课题的初步设想是将金纳米粒子载入“碗型”聚合物囊泡的内腔中，制备由近红外激光驱动的纳米马达。
然而，考虑到光热转化效率，他们将研究重点从金纳米粒子的负载转向聚合物囊泡表面的金纳米粒子功能化。
通过静电相互作用及氢键相互作用，大量金纳米粒子被修饰于“碗型”聚合物囊泡的表面。
冷冻透射电子显微镜和低温断层扫描表征结果证明了金纳米粒子修饰的“碗型”聚合物囊泡的成功制备。
基于“碗型”聚合物囊泡自身的不对称结构，在近红外激光的照射下，这些囊泡能够转化为光驱动纳米马达。
通过单粒子追踪分析，他们发现金纳米粒子修饰的“碗型”聚合物囊泡具有超快的运动速度及精确可控的运动方向。
为揭示超快运动速度的机理，该团队对纳米马达表面金纳米粒子的尺寸和空间分布进行了详细和深入的分析。
结合理论模拟分析，课题组发现沿着“碗型”聚合物囊泡轴向存在温度梯度。该温度梯度的存在使纳米马达能够在近红外激光的激发下展现出超快的运动速度。
（来源：Nature Communications）
最后，他们对光驱动纳米马达在细胞内递送方面的应用进行了评价。
研究表明：纳米马达通过自主运动，可以快速打开细胞膜，将不同尺寸的外源“货物”快速、有效地递送至细胞中。
日前，相关论文以《超快光激活聚合物纳米马达》（Ultrafast light-activated polymeric nanomotors）为题发表在 Nature Communications。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
荷兰埃因霍芬理工大学博士生王建洪为第一作者，邵婧鑫博士和荷兰埃因霍芬理工大学扬·C·M·范·赫斯特（Jan C. M. van Hest）教授担任共同通讯作者。
图 | 王建洪（来源：课题组）
基于该研究，他们将进一步拓展表面功能化的材料，如加入细胞靶向功能基团或细胞渗透肽等，以进一步增强光驱动纳米马达的生物医学功能。
同时，他们计划在“碗型”聚合物纳米马达的内腔中负载各种“货物”，并结合表面的功能基团，构建协同作用系统。
本次研究中的纳米马达主要依赖于单一的驱动力，后续研究中他们将设计多驱动力的聚合物纳米马达，以实现更加多样化和高效的应用。
同时，也将进一步探讨纳米马达在基因治疗药物的负载与递送方面的应用。
参考资料：
1.Wang, J., Wu, H., Zhu, X.et al.Ultrafast light-activated polymeric nanomotors. Nat Commun 15, 4878 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49217-w
2.Nat. Chem. 2012, 4, 268-274.
3.ACS Cent. Sci. 2016, 2, 843-849; ACS Nano 2016, 10, 2652-2660；Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 13113-13118.
4.Nano Lett. 2020, 20, 4472-4480.
5.Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 16918-16925.
6.J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 11246-11252.
运营/排版：何晨龙
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