近日，武汉理工大学官建国研究团队在美国化学学会旗下的顶级综述类期刊《Chemical Reviews》上发表综述论文《Lighting up Micro-/Nanorobots with Fluorescence》，并遴选为Supplementary Cover。系统综述了荧光微纳机器人的发展现状和未来发展方向，这项工作有望吸引和激励来自不同研究领域的研究人员共同推动荧光微纳米机器人的设计和实际应用。该团队博士生杨满义为第一作者，牟方志研究员和官建国教授为文章的共同通讯作者。
背景
微纳米机器人(Micro-/nanorobots，MNRs)是一类尺寸在微米或纳米尺度，可自主执行任务的微型装置。由于MNRs的运动特性和在液相介质中主动装载、运输和操纵“货物”的能力，它们可在微观环境中“自主”完成诸如环境检测、药物递送、细胞操控、微手术及超结构自组装等复杂任务。
荧光已广泛用于生物标记、传感以及对生理过程的基本分子途径进行示踪等。例如，荧光可以提供药物在组织中的实时位置和功能信息，实现在组织损伤发生或在疾病典型症状出现之前在分子和细胞水平上的早期诊断；利用荧光成像仪器，荧光可用于界定病变组织的手术切缘，改善在手术过程中切除/保留的术中决策；通过特殊设计的荧光材料具有化学和光学诱导的细胞毒性，已被用于进行化学疗法、光动力疗法、光热疗法和多模式协同疗法，并显示出了良好治疗效果。通过将MNRs与荧光结合，荧光可赋予MNRs高时空可追踪性、环境敏感性和化学/光子诱导细胞毒性；而MNRs能赋予荧光运动性和外部导航靶向性。
因此，荧光MNRs可望执行成像引导药物递送，智能实时传感和靶向光（化学）治疗等复杂任务，具有优异的生物医学应用前景。
文章要点
图丨荧光微纳机器人的特点与性能
该综述系统地阐释了荧光微纳米机器人的最新研究情况。首先简要介绍了微纳米机器人的推进机制和荧光原理与材料。然后重点论述了微纳米机器人与荧光物质结合的各种现有策略，以及它们在成像引导药物递送、智能实时传感和光(化疗)治疗生物医学应用方面的现状。最后总结了荧光微纳米机器人的主要挑战并展望了未来发展方向。
目前，将荧光物质与MNRs的结合主要有两种策略：
1）一种是通过表面化学修饰、静电吸附、物理包埋、超分子自组装和非共价结合（包括π-π相互作用、氢键相互作用等）将荧光分子和纳米颗粒负载到MNRs表面（或内部）；
2）另一种是使用荧光微/纳米结构材料作为MNRs的主体，例如金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和生物自发光荧光材料。
图|荧光微纳机器人的构建方法
所构建荧光MNRs在成像引导药物递送、智能实时传感和光（化疗）治疗等方面具有良好的应用前景。在成像引导药物递送中，通过荧光“点亮”，荧光MNRs可以发出信号和/或自我报告它们在体内的空间位置信息和药物递送过程。在智能动态传感中，装载特定荧光物质的MNRs可识别各种分析物（包括 pH、气体、基因和毒素等），并通过荧光波长偏移或荧光强度变化显示分析物的浓度、位置和变化情况。在光（化学）疗法中，用荧光物质功能化的MNRs可以对各种疾病进行化学、光动力、光热、以及多模态协同治疗。
经过最近20年的发展，尽管荧光MNRs取得了巨大的进步，但在实际应用之前仍有一些挑战需要解决：
1）首先，由于缺乏深层组织高分辨率荧光成像技术以及在异质、动态复杂环境的运动能力，荧光MNRs的成像引导药物递送研究主要集中在体外实验，体内研究很少，阻碍了其临床转化。
2）其次，在智能实时传感方面，目前设计的荧光MNRs主要基于传统的荧光材料，仅表现出微弱的荧光信号和简单的“off-on”响应。同时，关于荧光MNRs的检测限、选择性和可逆性也缺乏深入的研究。
3）最后，用于光（化学）治疗的荧光MNRs仅在体外实验中被证实有治疗效果，其体内诊疗一体化技术还有待开发。
未来可期
图|智能“诊疗一体化”荧光微纳机器人的未来发展方向。
作者指出荧光MNRs在未来有望成为高效智能诊疗平台，重点研究方向包括以下8个方面：
1.开发具有长期生物成像稳定性的荧光MNRs，实现长期示踪。
2.开发高分辨率的荧光MNRs，实现在体内高分辨成像。
3.开发在生物组织学窗口中工作的荧光MNRs，实现在体内深层组织中操作和示踪。
4.设计具有多荧光发射的荧光MNRs，可以同时检测多个目标，还可以在一个系统中集成多种功能，如成像、传感和治疗。
5.发展用于荧光MNRs的自主体内导航技术，实现基于体内视觉的闭环控制，全局和局部自适应路径规划。
6.开发生物能源驱动的荧光MNRs，例如体热、肌肉机械能和内源性化学物质（例如CO2、葡萄糖、尿素、脂肪和ATP）驱动的荧光MNRs。
7.开发对超低浓度内源性化学物质（如pH、葡萄糖、CO2、尿素和谷胱甘肽等）响应的高灵敏趋化荧光MNRs，实现其自主趋化靶向并递送药物至病变组织，实现高效疾病治疗。
8.开发具有集体协同功能的集群荧光MNRs。
官建国教授团队自2012年开始致力于研究微纳米马达（机器人），在其生物相容性、运动可控性和智能寻靶特性等方面取得了重要原创性成果。代表性成果包括：
1. 以水为燃料的生物相容镁基微米马达
Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7208, http://dx.doi.org/10.1002/anie.201300913;
Research 2020, 2020, 6213981,
https://doi.org/10.34133/2020/6213981.
2. 智能趋光性TiO2微米马达及其集群
Adv. Mater. 2017, 29, 1603374, http://dx.doi.org/10.1002/adma.201603374;
Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 6905, http://dx.doi.org/10.1039/C7CS00516D.
3. 以生物体内源性物质为燃料的自取向趋化性微纳米马达
Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwab066,
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab066.
原文链接：
Yang, M.; Guo, X.; Mou, F.; Guan, J., Lighting up Micro-/Nanorobots with Fluorescence. Chem. Rev. 2022, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00062
通信作者简介：
官建国，武汉理工大学材料学科首席教授、材料复合新技术国家重点实验室副主任，科技部重点领域“极端环境服役功能复合材料”创新团队负责人。主持承担国家重点研发计划和863计划等国家级重要科研项目20余项；提出磁介电吸波和多机理吸波超材料设计方法，构建“薄、轻、宽、强”吸波与电磁屏蔽涂层材料，在10余个国家重要工程上实现规模化应用和产业化；提出空间位阻型磁性光子晶体与纳米光子链概念，研制出可实用化的光子晶体防伪油墨；发现趋光性人工微纳米马达，实验证实自驱动微纳米马达趋化性的物理化学机制。在Natl. Sci. Rev.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Nat. Commun.等国际知名期刊发表高水平论文300余篇，授权发明专利56项。兼任2个全国学会常务理事和多个国际学术期刊编委，指导培养硕士博士研究生和博士后180余名。获多项荣誉称号和奖励，包括国家“万人计划”科技领军人才、教育部“长江学者”特聘教授、新世纪百千万人才工程国家级人选，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士，高等教育国家级教学成果奖二等奖，军队科技进步一等奖，湖北省技术发明一等奖、教育部自然科学二等奖等9项国家和省部级教学科技成果奖励。
牟方志，国家高层次青年人才，湖北省杰出青年基金获得者，现任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员，博士生导师。主要从事微纳米机器人研究，重点关注微纳米机器人的驱动原理、相互作用、集群行为等基本科学问题，致力于发展仿生智能微纳米机器人的生物医学与微操纵应用研究。主持并承担了国家级省级重要科研项目10余项，现已在Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Research等国际权威学术期刊上发表学术论文60余篇。
课题组主页：http://guan.group.whut.edu.cn/
