纳米级系统有许多潜在的应用，可以根据需要释放分子，例如，将生物活性化合物输送到人体的特定隔间，或分配用于工业过程的催化剂。这些通常涉及由光照射或物理参数（如pH或温度）的变化触发的释放机制。在过去的几年里，机械力已经成为释放小分子的替代触发因素。

近日，曼彻斯特大学Guillaume De Bo等人报道了一种分子装置，当施加压缩力或超声波时，该装置会连续释放货物分子，就像镰刀一样往下切割。

使用机械力进行分子释放需要仅在存在外部机械刺激的情况下主动排出其货物的系统。为此，研究人员构建了一个基于轮烷的系统，轮烷是一种由螺纹连接在长轴上的环组成的结构。对于环，作者选择了一种称为柱[5]芳烃的刚性五边形分子，其轴是一条长分子链。因为轮烷的两种成分没有通过化学键连接，所以环可以沿着轴自由移动，轴端有一个大的止动器，防止环脱螺纹。

图|分子的机械控制释放

控制这种纳米级的运动是具有挑战性的。为了使用机械力使环沿着轴在选定的方向上移动，研究人员将一条长聚合物链连接到轴的末端，另一条连接到环上。作者还为轴配备了几个连接点，货物分子可以安全地系在这些连接点上，使其与轮烷一起安全运输。当机械能——例如来自超声波的机械能——被系统吸收时，产生的力导致长聚合物链延伸，沿着轴拉动环。

但这还不是全部。当环到达轴上的第一个货物分子时，机械力会破坏系链，释放货物。然后，环继续前进，直到到达第二个货物单元，此时释放过程再次开始。作者证明，环亚基对释放过程至关重要，只有当环与货物分子接触时，分子才能被释放，并具有足够的力将其从轴上切割下来。在没有环形部件的模型系统中，无法检测到自由货物的痕迹。这表明完全防止了输送分子的不受控制的释放。

图|轮烷致动器的伸长导致放置在车轴上的货物单元在被大循环推动时顺序释放

该货物释放系统可以被认为是一台分子机器。当它受到机械力时，环沿着轴的诱导单向运动提供了足够的能量来顺序地解开货物分子。只要保持机械力，该过程就会继续，直到所有分子都从轮烷平台上释放出来。

图|轮烷模型的各种几何异构体的机械活化

研究人员观察到，货物释放不仅可以在溶液中促进，还可以通过压缩轮烷的固体样品来促进，其效率比之前报道的机械活化系统更高。此外，每个轮烷系统可以释放多达五个货物分子；相比之下，先前报道的力激活分子器件通常只释放一种。这些结果为更复杂的系统铺平了道路，数百个这样的多货物系统被整合到3D网络中，每个系统都有连接在轮烷上的长而柔性的聚合物链。这将使货物在受到机械力时能够同时从多个轮烷中释放出来，大大增加了同时释放的分子数量。

图|在溶液和固体中激活多糖轮烷

研究人员还证明，他们的轮烷系统可以释放不同的货物，包括有机催化剂和广泛使用的化疗药物阿霉素。后一项发现表明，这种分子机器具有机械力触发药物递送的潜力。

应该注意的是，制备含有几种货物分子的轮烷体系仍然很困难。因此，未来的工作对于简化它们的合成至关重要，并使它们价格合理，易于用于实际用途，尤其是生物医学应用。尽管如此，该研究的发现代表了设计可以被外部机械力激活的高效分子机器的关键一步。该研究结果无疑将激励人们进行研究，以设计更通用的机械敏感系统，从而允许更大多样性的货物分子的受控释放。

参考文献：

Chen, L., Nixon, R. & De Bo, G. Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator. Nature 628, 320–325 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0