关键词：光-磁效应，刺状纳米材料，机械驱动，等离子体纳米材料，癌症治疗具有运动操控功能的纳米机器在靶向癌症治疗中具有较大应用前景，有望通过超微创的磁场触发机械力消灭癌细胞。成功的癌症机械治疗高度依赖于磁性纳米机器在体内复杂生理环境下的高效机械能量转换，研制混合动力源的高性能纳米机器是实现机械机动性的发展趋势。该研究针对生理环境中纳米机器驱动困难这一问题另辟蹊径，提出了一种光磁耦合驱动的纳米机器(PMN)，并引入近红外II区激光主动调控微环境黏度的概念，该纳米机器具有刺状表面和光磁感知能力，可以高效破坏肿瘤细胞溶酶体，用作癌症的机械疗法。该研究为设计具有较强感知能力和对生理环境主动适应能力的集成纳米马达临床应用提供了新的方向。利用外部能量转换实现高效的运动性能是纳米机器设计的关键要求。光磁双场混合输入如何提高纳米电机的机械能转换和治疗效果尚不清楚。我们的工作包括三个基本发现:1)设计的纳米马达呈现出在纳米界面上的光电耦合效应。通过物理模拟和实验发现并证明了光致磁场的存在。在激光和静磁场同时输入的情况下，纳米马达产生了典型的光磁耦合效应，这可能是由于等离子体激元对金纳米尖端的对准和定向运动造成的;2)纳米马达的杂化结构和尖刺结构使其在NIR-II区域具有对旋转磁场的感知和光敏性。同时，通过这种设计，纳米马达的机械和热效应得到了提升，从而在生物流体中高效推进。光磁双场提供了一种双管齐下的方法，可以同时增强PMN的磁力和降低流体中的粘性力，从而实现更满意的机械能转换;3)体外和体内研究证实，同时进行光磁刺激是实现低强度能量输入的增强机械治疗的必要条件。磁转矩能以流体涡的形式有效地转化为机械能，在光磁刺激下破坏溶酶体的结构，这一过程有效地实现了从纳米马达到癌细胞的机械能转移。我们相信，集成的尖刺光磁纳米马达在有效的机械破坏癌症方面表现出巨大的潜力，并有望在临床应用中完成更复杂的任务。
该纳米机器以磁性纳米颗粒为核，表面覆盖金纳米尖刺。金磁杂化结构赋予了纳米机器磁响应性能与近红外二区的吸收与热转换能力。仿真结果表明，尖端结构有助实现较高压强的输出，从而更有效地输出机械能；在运动中尖端部位引起的流体扰动也更强。
作者在研究中揭示了在PMN界面存在光磁耦合效应，即尖刺结构通过对金刺端等离子体激元的操控，使PMN在NIR-II区激发下产生明显的感生磁场。通过实验论证，这种感生磁场产生的原因主要是由于外部光照/耦合场作用下所引起的感生电流。这种双场协同下的光磁耦合效应对于克服复杂生理环境，实现纳米机器的有效运动可能具有重大意义。
由双能量源驱动的PMN的机械运动增强效果首先在75%的甘油溶液中得到了验证。物理模拟和实验结果证明，利用耦合增强磁场，PMN被有效地组装成链状结构，进一步提高能量转换效率。在双场刺激下，组装的纳米机器下调其周围黏度，实现了超越单场磁驱动3-5倍的运动速度。并且在仿真中验证了组装体对于粒子间电、磁、热场的增强效果，增强的温度场又可以进一步促进黏度的下调，实现运动促进的正反馈调节。
考虑到PMN能量转换和生物流体粘度控制的双重能力，其介导的增强癌症机械治疗首先在体外进行了验证。PMN被三阴性乳腺癌细胞摄取并位于溶酶体中。在低频旋转磁场（RMF）下，由于粘性的生物环境，PMN组装成流动性有限的短链；在NIR-II激光和RMF同时输入的情况下，粒子的磁感应能力增强、且微环境黏度被下调，因此能够形成更长的PMN组装体，并产生有效的机械扭矩，最终对溶酶体产生更强烈的破坏。
图4：PMNs对MDA-MB-231细胞的抗肿瘤作用。最后，研究团队使用MDA-MB-231的荷瘤BALB/c小鼠模型进一步研究了PMN介导的增强型肿瘤机械治疗。结果表明，双场同时施加下可以实现肿瘤生长的有效抑制，并且最大程度诱导肿瘤细胞的凋亡。
图5：PMNs介导的增强型机械疗法对MDA-MB-231荷瘤小鼠体内抗肿瘤作用的研究。通过PMN的尖刺形状和杂化成分，光和磁场之间的协同和集成效应促进了纳米机器推进的机械能转换。体外和体内研究均证实，同时的光磁刺激对于机械治疗中PMN的高效运动是必要的。该研究提供了一种双管齐下的方法来增强生物流体中的机械推进能力，这可能为设计具有增强感知能力和主动适应生理环境的集成纳米机器提供新的方向，推进纳米机器的临床应用。成昱博士，同济大学医学院教授，上海自主智能无人系统科学中心副主任，博士生导师，同济大学附属第四人民医院PI。入选国家级青年人才计划、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、上海市优秀学术带头人（青年）、上海市“浦江人才计划”。成昱教授课题组依托同济大学和附属医院的多学科交叉特色，医工理融合，围绕“磁医学”开展三个方向研究：1. 磁医学工程：以磁智能调控为核心，研究微磁力治疗实体肿瘤等疾病的靶向方案和免疫协同治疗新模式，并自主研发磁力治疗智能调控装置，推进其临床转化；2. 医用磁感应微纳机器人：以高灵敏磁感知与响应为核心，研究微纳机器人的仿生智能控制和生物医学应用；3. 磁神经调控：研发高精度磁调控神经细胞的新技术和手段。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204996
