综述：光热微/纳米机器人在生物医学中的应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Photothermal micro/nanorobots in biomedicine

光热微纳米机器人（MNRs）通过光热效应实现驱动和诊疗，在肿瘤靶向治疗、血栓消融等领域展现优势，但仍面临组织渗透不足、生物相容性差和成本高等挑战。本文系统综述了MNRs的材料设计、光热驱动机制及精准医疗应用，提出基于配位化学的分子工程优化策略，为临床转化提供理论框架。

　　

文佳康|李金花|李松|周怀娟

北京工业大学材料科学与工程学院、交叉科学学院，北京100081，中国

摘要

光热微/纳米机器人（MNRs）利用光热效应实现推进或治疗性加热，在生物医学领域是一个新兴且充满前景的平台。与传统治疗方式相比，它们具有显著优势，包括更强的靶向能力、更低的药物相关副作用以及实时可追溯性。迄今为止，这些MNRs已被广泛应用于多种生物医学领域，如靶向肿瘤治疗、血栓消融、杀菌和光热触发药物释放，显示出巨大的发展潜力。然而，仍存在一些关键技术挑战，主要包括深层组织穿透不足、长期生物相容性不佳以及制造成本较高。本文综述了光热MNRs在生物医学应用中的最新进展。首先介绍了具有高转换效率的光热材料，并重点讨论了其光热机制和改性策略；接着探讨了光热驱动MNRs推进的机制和当前研究现状；随后阐述了它们的应用场景，并强调了与传统方法的独特优势；最后提出了提升光热MNRs性能的策略，并对其未来发展进行了展望。

引言

微/纳米机器人（MNRs）是一种尺寸从几纳米到几百微米不等的微型装置，可以通过（生物）化学燃料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、外部场（如磁场[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、超声波场[11]、[12]、光[13]、[14]、[15]、电[16]、[17]）甚至运动细胞[18]、[19]或微生物[20]、[21]来驱动。这些具有可控运动能力、可重复使用性和良好生物相容性的功能性MNRs在过去几十年中在精准医疗领域取得了蓬勃发展，显示出在癌症诊断、靶向药物输送和微创手术[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]方面的巨大潜力。MNRs的合理设计本质上依赖于功能材料工程，这涉及优化材料组成、微观结构和物理化学性质，以解决两个核心问题：选择适合所需功能的材料并实现自主或场驱动的运动[25]、[29]、[30]、[31]。例如，药物输送MNRs的磁导航通常依赖于多孔纳米载体（如介孔二氧化硅[32]、金属有机框架（MOFs）[33]、[34]）来携带治疗剂，并结合磁性组件（如Fe₃O₄纳米颗粒、Fe/Ni/Co段）。

在众多用于MNRs的功能材料中，光热材料因其高效的光热转换能力而在生物医学领域引起了广泛关注[35]、[36]、[37]、[38]。一方面，这些材料在适当光源照射下可作为光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）的强大平台；另一方面，将光热材料整合到MNRs中可以通过自热泳动实现自我推进，并通过与其他机制（如马朗戈尼推进[39]、[40]、空化推进[41]）耦合来增强运动能力。最值得注意的是，光热驱动的运动能力和多功能材料的结合使这些MNRs能够作为活性纳米载体，实现治疗剂的精准定位释放（特别是光响应释放[42]），用于治疗肿瘤、血栓和由病原菌引起的感染[43]，以及穿透细胞膜[44]、[45]。

作为在分子水平上精确调控材料结构、性质和功能的强大工具，配位化学与光热MNRs的设计、推进和应用有着内在而深刻的相关性。这种相关性不仅体现在材料合成中，还贯穿于MNRs的整个过程——包括“构建”、“激活”和“任务执行”。配位化学为新型光热材料的开发提供了理论基础。例如，它有助于设计兼具高效光热性能和高药物装载能力的MOF基MNRs[46]。通过调节中心金属离子和配体的电子结构，配位化学直接决定了材料的吸光能力。具体来说，配位反应可以缩小最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LOMO）之间的带隙，从而促进光吸收和电子转移，提高光热转换效率[47]。此外，它还通过配位键将靶向分子锚定在纳米材料表面，实现功能化[48]。在推进方面，光热效应引起的局部高温会触发材料相变，进而产生驱动力[49]。在实际应用中，可以利用配位化学原理为MNRs赋予靶向能力；通过设计具有特定响应特性的表面配位键，可以实现精准的定位药物释放[50]、[51]。此外，结合多种响应元素可以实现多维度运动控制，从而更准确地完成预定义的任务。

本文系统总结了光热MNRs在精准医疗领域的最新进展（图1）。首先，我们介绍了应用于MNRs的主要光热材料，包括等离子体金属、水凝胶/气凝胶、碳材料和有机材料。接着详细阐述了光热材料辅助的推进机制，如自热泳动、蒸汽驱动推进、光热冲击、光热机械驱动、光热空化推进和光热促进的气泡推进以及光热马朗戈尼效应。在讨论了典型的生物医学应用（肿瘤治疗、血栓治疗和杀菌）之后，我们提出了材料设计原则和性能提升策略。通过建立连接配位化学、材料性质和微/纳米机器人行为的跨尺度关联框架，我们为智能MNRs的分子工程提供了设计范式。最后，我们指出了光热MNRs面临的剩余挑战，并提出了潜在的解决方案。

部分摘录

配位化学介导的光热材料选择策略

配位化学可以通过调节金属中心与配体之间的相互作用、优化材料结构以及调整光热转换机制，显著提高光热材料的选择性、性能和稳定性。根据配位化学原理，材料的光热机制可以分为两个核心方面：金属中心选择和配体工程。

基于配位结构的光热驱动机制

从推进机制的角度来看，将光热材料整合到MNR系统中可以实现两种主要的自主运动功能。具体而言，光热材料与光能之间的相互作用产生的光热效应可以直接通过自热泳动、光热冲击和光热机械驱动等机制为MNRs的运动提供驱动力[119]。在第二类中，MNR

在精准医疗中的应用

对光热材料进行近红外（NIR）照射可高效地将光能转换为热能，产生局部高温。这种双重功能效应实现了两个核心应用：（1）为MNRs提供动力以实现靶向运动；（2）介导治疗作用，如热消融、组织刺激或按需药物释放。目前，光热驱动的MNRs在生物医学应用中展现出巨大潜力，包括肿瘤治疗、血栓治疗等

材料设计原则和性能提升策略

为了将来将光热活性MNRs临床应用于生物医学，精确的材料结构设计和性能提升是前提条件。光热材料的选择从根本上决定了它们的光热性能，而运动能力则是另一个核心性能指标。为了充分发挥其生物医学潜力，对这些关键方面的针对性优化至关重要。

结论与未来展望

生物医学领域的最新进展和创新显著提高了疾病治愈率、生活质量和个人化治疗效果。MNRs的出现将生物医学研究推向了新的前沿，因为它们的超小尺寸使得体内高精度操控和靶向治疗成为可能[260]。值得注意的是，将光热效应与MNRs结合不仅实现了非接触式驱动，还赋予了它们高效的光热治疗能力

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了北京Nova计划（20240484527, 202504841000）和北京自然科学基金（2242059）的支持。