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第一作者：李金华
通讯作者：周怀娟；吴成铁；Paul K. Chu
通讯单位：北京理工大学；中科院上海硅酸盐研究所；香港城市大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.mser.2022.100712
Materials Science & Engineering R, 2023, 152, 100712
细菌耐药性问题严重威胁人类生命健康，因此迫切需要有别于传统抗生素的抗菌疗法。微纳米机器人（又称微纳米马达）是一种介于微纳米尺度的智能动力装置，能将外部环境能量（如：磁场、超声、光）转换为自身驱动力，并凭借其可控性和可修饰性等优点，在微观世界自由穿梭，在靶向药物输送、精准医疗、生物传感和环境修复等领域有着广阔的应用前景。随着快速发展的医疗微纳米机器人与传统抗菌纳米材料的融合，抗菌微纳米机器人已成为医疗微纳米机器人研究领域的一个活跃方向。在传统抗菌纳米材料和抗菌微纳米机器人之间搭建桥梁纽带对于抗菌微纳米机器人的设计至关重要。近年来，纳米材料的抗菌性能引起了人们的极大兴趣。纳米材料与细菌之间的相互作用取决于其多种接触形式，包括静电吸引、范德华力、疏水相互作用和受体-配体相互作用。了解纳米材料与细菌的相互作用机制，有助于合理设计新型纳米抗菌剂。根据细菌细胞壁的结构特点，细菌主要分为革兰氏阳性和革兰氏阴性。革兰氏阳性菌的细胞壁有一层厚的含有聚合磷酸的肽聚糖(15~100 nm厚)，其下是细胞质膜。磷壁酸聚合物链中的磷酸盐是细菌膜的负电荷，在水溶液中作为二价/多价阳离子的结合位点。革兰氏阴性菌被由脂多糖(LPSs)组成的疏水脂质双分子层包裹，脂质双分子层下面是一层薄薄的肽聚糖(20~50 nm厚)和细胞质膜。这一额外的脂质双分子层在很大程度上削弱了多种疏水抗菌剂的渗透能力。革兰氏阴性菌细胞膜的负电荷主要来自于多糖中的磷酸盐和羧酸盐。因此，细菌细胞壁的结构特征在决定其与各种纳米材料的相互作用方面起着至关重要的作用。通常情况下，带正电荷的纳米材料由于静电相互作用倾向于附着在带负电荷的细菌膜上，在一项早期研究中，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为端部的带正电荷的金纳米棒和纳米球上证明了这一点。在与细菌膜结合后，可能会发生膜结构或正常功能的破坏(例如，通过与锋利的边缘相互作用)，从而导致抗菌作用。纳米材料的物理化学性质(如尺寸、形状和表面)是影响其与细菌接触后结合和穿透过程的关键因素。活性氧(ROS)引起的氧化应激是纳米材料的重要抑菌机制。ROS是具有强正氧化还原电位的分子和活性中间体的总称。通过还原氧分子(O2)，不同种类的纳米材料可以产生不同类型的ROS。ROS的四种类型包括羟基自由基(•OH)、超氧自由基(•O2−)、单线态氧(1O2)和过氧化氢(H2O2)，它们表现出不同水平的活性和动力学。纳米材料可通过多种机制形成ROS，光催化作用被认为是最主要的机制。当半导体纳米材料(如TiO2和ZnO)受到不小于带隙能量的光照射时，价带中的电子被激发跃迁到导带，在价带中留下相应的空穴，从而在其表面和内部形成高活性反应物(即电子−空穴对)。这些光产生的电子−空穴对然后与不同的分子或离子反应产生不同类型的ROS。大量研究表明，纳米材料也可以在黑暗中产生ROS，从而达到预期的抗菌效果。从细胞外电子转移(EET)的角度提出了一种合理的机制。细菌膜呼吸链中存在一个电子传递系统，其内部存在一系列氧化还原偶及其生物氧化还原电位(BRPs)。细菌的BRPs范围为−4.12 eV ~ −4.84 eV。当纳米材料的费米能级(EF)或导带最小值(ECB)低于BRPs时，可能会引起自发电子泄漏和EET中断。细菌膜泄漏的高能电子有可能在黑暗中产生各种ROS。超声激活也可诱导ROS的产生。由于过多的ROS形成，破坏了细菌的氧化还原平衡，从而引起氧化应激，破坏微生物细胞的多种单个组分。粘附在医用植入物或受损组织上的细菌可以产生生物膜，由多糖和蛋白质组成。抗生素穿透生物膜的能力非常差，从而保护细菌免受环境抗生素的侵害，并为它们提供抗生素耐药性。这一现象激发了利用纳米材料破坏生物膜完整性的抗菌策略。此前有研究表明，纳米材料可以抑制细菌群落的代谢活动，因为细菌代谢在生物膜的形成中起着重要作用。另一项研究表明，Mg纳米颗粒(NPs)粘附在细菌生物膜上后，能够扩散到生物膜中，破坏细菌膜电位，增加脂质过氧化，最终减少细菌生物膜的产生。根据这些结果，纳米材料对生物膜形成的抑制作用可能与抑制细菌代谢有关。此外，纳米催化剂(如Fe3O4和TiO2)已被报道可促进细菌生物膜的催化/光催化降解。除了上述细菌与纳米材料之间的相互作用外，还存在其他抗菌机制，如：纳米材料抑制细菌DNA和蛋白质的合成，调节细菌代谢基因的表达，增强抗菌免疫。纳米材料的大小或尺寸在决定它们与细菌的相互作用方面起着重要作用。Elimelech和同事研究了氧化石墨烯(GO)纳米片的大小如何影响其对大肠杆菌的抗菌活性(图1A)。将平均纳米片面积为0.01 ~ 0.65 μm2的氧化石墨烯悬浮液加工成表面涂层。当氧化石墨烯纳米片面积从0.65减小到0.01 μm2时，涂层的抑菌能力提高了4倍，这是由于氧化石墨烯纳米片越小，缺陷密度越高所引起的氧化机制。相比之下，氧化石墨烯悬浮液的抑菌性能随着纳米片面积的增加而增强，这归因于氧化石墨烯纳米片与细菌相互作用时的细胞包封机制。作者还发现碳纳米管(CNTs)的抑菌效果与直径有关：通过细菌膜损伤机制直接接触时，单壁CNTs对大肠杆菌的毒性比多壁CNTs大得多。Ag NPs已被广泛用作有效的抗菌剂。已有研究表明，Ag NPs的ROS生成和抑菌能力强烈依赖于其尺寸。受昆虫翅膀上天然抗菌结构的启发，通过胶体光刻和等离子体蚀刻在聚醚醚酮(PEEK)上制备了微纳米级锥柱阵列(图1B)。微阵列的抗菌效果来自于早期的机械拉伸和随后的尺寸效应，而模仿蝉翅膀的纳米阵列仅基于其尖锐尖端的穿透效应来破坏大肠杆菌。此外，有研究表明，小于350 nm的NPs可以通过生物膜内的孔隙扩散。总之，在设计基于纳米材料的抗菌表面膜/涂层、支架或新型抗菌剂时，应充分考虑尺寸效应，以控制其抗菌性能。图1. 尺寸效应。(A) 抗菌性能对氧化石墨烯薄片尺寸的依赖性。ACS Nano, 2015, 9 (7), 7226-7236. (B) 大肠杆菌在不同PEEK样品上的SEM形貌：(a) 原始PEEK，(b) PEEK-O(氧等离子体处理的PEEK)，(c) 纳米锥，(d) 纳米柱，(e) 微锥，(f) 微柱。比例尺，1 µm。Chem. Eng. J., 2020, 392, 123736.纳米材料的形状因子能够进一步增强其接触杀伤能力，因为特定的形状可能会增加局部粘附力，从而导致表面张力变化和细菌膜的完整性损伤。石墨烯纳米片的锋利边缘可以作为纳米刀片或纳米刀，物理地切开或刺穿细菌膜，导致细胞内内容物泄漏，最终导致细菌死亡(图2A)。一项研究还表明，具有更锋利纳米飞刀的单壁CNTs对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌具有更好的抗菌能力。与一般报道的块体Mg的抑菌机制(如Mg2+离子的释放和局部pH值的升高)不同，水热形成的二维Mg(OH)2纳米薄片在Mg上能够在直接接触金黄色葡萄球菌或大肠杆菌时对细菌细胞膜施加机械张力，引起细胞内应激，最终通过物理相互作用杀死细菌，这与计算模拟一致(图2B)。Song和同事制备了截断三角形银纳米板、银纳米球和银纳米棒，以研究它们对大肠杆菌的抗菌性能。作者观察到截断三角形纳米银比银纳米球和纳米棒具有最强的抑菌效果。在Epple和同事的另一项研究中，不同形状的Ag NPs表现出不同的抗菌能力，顺序如下：Ag纳米片 > Ag纳米球 > Ag纳米棒 > Ag纳米立方。纳米Ag的形状依赖性抑菌活性主要与溶解速率和比表面积的差异有关，通过调节表面Ag+离子的溶解和释放来影响不同形状纳米Ag的抑菌能力。从结晶的角度来看，纳米晶体的形状/形态是由它们的晶体面暴露决定的。Wang和同事通过裁剪Au纳米晶体暴露的晶体面来调节其抗菌行为，从而证明纳米材料可以发挥面依赖的抗菌活性(图2C)。图2. 形状效应。(A) 有和没有石墨烯纳米片的金黄色葡萄球菌的共聚焦显微镜图像。石墨烯片的插入不仅会导致金黄色葡萄球菌细胞体积增大，还会导致细胞死亡。ACS Nano, 2015, 9 (8), 8458-8467. (B) 不同样品表面培养的大肠杆菌的SEM图像(上)和可能的抗菌机理(下)。Adv. Sci., 2020, 7 (1), 1902089. (C) Au纳米晶体的SEM图像(上)和晶面相关的抑菌活性(下)：低折射率面(如立方体、八面体和菱形十二面体)的Au纳米晶体表现出优异的抑菌活性，而高折射率面(如三八面体和凹立方体)的Au纳米晶体则不能杀死细菌。Chin. Chem. Lett., 2020, 31 (12), 3183-3189.纳米材料适当的表面化学功能化可以用来调整其抗菌活性。纳米材料的抗菌途径本质上依赖于它们的组成、大小、形状和表面化学。由于带负电荷的细菌膜和带正电荷的氨基酸官能团之间的静电相互作用，多壁CNTs与精氨酸和赖氨酸的表面功能化能够显著增强对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠鼠沙门氏菌的抗菌性能，其顺序如下：多壁CNTs-精氨酸 > 多壁CNTs-赖氨酸 > 原始多壁CNTs。纳米材料的表面化学状态可以决定其zeta电位，从而影响其抗菌活性。由于纳米材料的表面化学在控制其与微生物的相互作用中起着关键作用，因此预期其可调谐的表面化学可以为设计新型纳米抗菌剂来对抗细菌感染提供一个有前途的策略。基于纳米材料的运载工具的使用可以提高治疗性货物的抗菌效率，并促进其定向运输到细菌感染部位。这种纳米载体具有延长药物在血液中的滞留时间、减少非特异性分布以及有针对性地向感染部位输送抗微生物药物的优点。为此，纳米材料的表面化学提供了一种隐身能力，使纳米材料对宿主免疫防御系统不可见。单核吞噬细胞系统(MPS)可以将纳米载体从血液中清除，除非它们经过了工程化改造，以避免被吞噬细胞识别和摄取。脂质体、树状大分子、聚合物、胶束和介孔二氧化硅NPs通常被用作纳米载体，用于装载抗菌剂、酶或光敏剂，以实现直接或刺激响应性抗菌功能，并将疏水抗菌剂定向递送到否则无法到达的感染部位。疏水抗菌剂(如红霉素、法尼醇、三氯生和精油)可以作为装载物加入疏水胶束核心，而亲水脂质体核心适合装载亲水抗菌剂。此外，多电荷抗菌剂可以通过静电双层相互作用包装成相反电荷的纳米载体。除了促进具有增强抗菌功效的抗微生物货物的非特异性递送，特别是对耐药细菌，纳米材料为基础的递送载体可用于以可控和持续的方式调节药物货物的释放。光活化消毒策略利用特定波长的光照射，从紫外线(UV)到近红外(NIR)光谱，以激发光响应材料；所设计的光响应材料在辐照后可吸收光能、产生ROS或创造高温条件，在极短的时间内高效地杀灭细菌。光动力抗菌治疗是通过活性氧对抗细菌，主要是•O2−、•OH、1O2和H2O2。对于基于光敏剂的光动力抗菌治疗，光敏剂在光照射下吸收光子并产生ROS。对于基于光催化的光动力抗菌治疗，基于半导体、掺杂半导体或其异质结的各种光催化材料已被广泛研究用于对抗细菌感染。光催化剂的抑菌能力源于光激发过程中产生的ROS。一种膜插层共轭低聚电解质(称为“PTTP”)被开发用于光动力学抗菌目的，其吸收和发射最大值分别在507 nm和725 nm(图3A)。在光激发下，PTTP能有效地原位产生1O2，量子效率约为20%。结合快速膜插入和光敏化能力，PTTP在0.6 J·cm-2的低光剂量下对大肠杆菌表现出高效的抗菌性能。该团队还开发了一种基于异质结光催化剂的光动力离子消毒策略，如Fe2O3-卟啉金属-有机框架(MOF)纳米片(CuTCPP–Fe2O3掺入聚乙二醇基质中形成软膏)和Cu2O-ZnO纳米膜(图3B)。图3. 光动力抗菌纳米材料。(A) PTTP插入细胞膜并通过光动力抗菌治疗(PDAT)机制光生成1O2的示意图(左)；PTTP染色大肠杆菌细胞的共聚焦激光扫描显微镜图像(右)。Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56 (18), 5031-5034. (B)
ROS与释放的Cu、Zn离子协同作用的光动力离子治疗抑菌机制方案。J. Mater. Sci. Technol., 2022, 122, 10-19.基于纳米材料的细菌热消融已成为后抗生素时代最有前途的非耐药抗菌策略之一。Wang及其同事设计了一种具有连续光热效应的多功能骨植入物，这意味着它在早期阶段提供抗菌治疗(< 50 °C)，然后促进骨再生(40~42 °C)(图4A)。本设计使用锌磺酸配体(ZnL2)配合的黑磷纳米片(BPs)对羟基磷灰石支架进行表面改性，其中BPs具有光热抗菌作用，ZnL2对种植体周围细菌产生包膜应力，从而提高其热敏感性。纳米材料的光热效应经常与其他类型的抗菌机制相结合，以实现协同增效的杀菌效果。研究人员已经证明了ROS和热疗对光热纳米材料体系抗菌活性的协同增强作用，如Bi2S3-Ti3C2TxMXene(图4B)。值得一提的是，光不能穿透不透明的深层组织，近红外光穿透组织的深度在1~2 cm左右，这是光响应性抗菌纳米材料面临的挑战。图4. 光热抗菌纳米材料。(A) ZnL2-BPs@HAP集成骨支架在轻度近红外照射下的顺序抗菌和成骨调节示意图。ACS Nano, 2021, 15 (11), 17854-17869. (B) 肖特基催化剂及Bi2S3/Ti3C2Tx光激抑菌机理示意图。Nat. Commun., 2021, 12 (1), 1224.磁响应性已越来越多地应用于抗菌纳米材料中。例如，Zheng和同事开发了一种由介孔氧化铁纳米颗粒(MNPs)组成的磁驱动磁纳米酶系统，该系统可以提供破坏细菌和生物膜的协同治疗(图5A)。MNPs表现出三种功能：(1) 在H2O2存在的情况下，催化生成•O2−、•OH和1O2等ROS；(2) 在旋转磁场下定向运动和机械破坏的磁性机动能力；(3) 交变磁场下的磁热疗。由于它们的协同作用，MNPs表现出良好的细菌破坏和生物膜根除能力。由于局部加热效应，磁热疗还可用于触发非均质介孔二氧化硅NP基超分子组件中抗菌肽蜂毒素和抗生素氧氟沙星的按需释放，以高效地清除生物膜和治疗感染(图5B)。图5. 磁响应型抗菌纳米材料。(A) 介孔氧化铁NPs通过电磁驱动磁纳米酶介导的协同治疗去除生物膜。Chem. Eng. J., 2022, 431, 133971. (B) 微波辅助治疗MRSA感染的骨髓炎，使用Fe3O4/CNT/Gent，具有细菌捕获、磁靶向和化疗能力。Nat. Commun., 2020, 11 (1), 4446.超声已被广泛应用于治疗，如：超声触发药物释放、高强度聚焦超声(HIFU)手术、聚焦超声诱导热疗，如图6所示。声敏剂和超声的结合可以触发一种特殊的声化学反应来产生ROS，这被称为声动力治疗。声动力疗法作为一种非侵入性方法，由于超声固有的高组织穿透能力，可以超越光激活的深度限制。图6. 各种医疗应用超声波频率的说明性总结。Nat. Rev. Drug Discov., 2005, 4 (3), 255-260.考虑到在感染部位有大量的形成孔隙的细菌毒素，这些细菌毒素可以作为有效的刺激，触发纳米载体在感染部位按需释放各种抗微生物药物。这种策略能够在靶向到达感染点后局部释放抗菌药物，精确地摧毁分泌毒素的细菌，同时最大限度地减少对周围健康细胞或组织的潜在有害影响。Zhang和同事报道了一种基于Au NPs稳定磷脂脂质体的策略，可选择性地将万古霉素输送到MRSA感染部位(图7A)。用壳聚糖修饰的Au NPs修饰脂质体的表面，可以防止脂质体的融合，并在非传染性环境中防止有效载荷的释放。一旦设计的脂质体靠近分泌毒素的细菌，细菌毒素就能够穿透脂质体膜并形成孔隙，从而释放被密封的万古霉素。因此，本设计在MRSA感染部位发挥了精确的抑菌作用。由于它们的高度适应性，细菌可以在各种环境中茁壮成长，其中低pH值尤其显著，因为它与严重感染的相关性及其治疗的意义。研究人员试图利用感染部位的酸性微环境来设计pH响应的抗菌剂递送纳米系统。例如，Xu和同事设计了一种pH响应型光动力抗菌NPs，包括用多粘菌素B和葡萄糖酸修饰的孟加拉玫瑰红–聚多巴胺核(图7B)。这些NPs在生理pH值下带负电，但在酸性感染环境下，由于pH敏感的静电相互作用而带正电，这使它们能够有效地粘附在细菌上。结果表明，该设计对革兰氏阴性菌具有较强的光动力杀菌效果，在酸性环境和体内对细菌生物膜具有良好的穿透和根除效果。图7. 感染微环境响应型抗菌纳米材料。(A) 细菌毒素诱导金纳米颗粒稳定脂质体释放药物杀死毒素分泌细菌的方案。J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (11), 4132-4139. (B)
pH敏感光动力纳米颗粒的制造，以增强生物膜的穿透和抗菌效率。Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (33), 2103591.(1) 化学推进(自推进)：自推进需要使用化学燃料和催化发动机，将燃料能量转化为推进力(例如，气泡、化学梯度等)。化学燃料包括外源性燃料(如：H2O2或NaBH4)和内源性燃料(如：葡萄糖或尿素)。大多数外源性燃料具有细胞毒性，这可能限制其医疗应用。相比之下，使用内源燃料的酶催化化学反应具有生物相容性。它们不需要外部驱动系统，虽然需要持续供应燃料，但可以产生高运动速度。此外，自主驱动的微纳米机器人通常表现出随机运动和缺乏方向性。(2) 磁推进：磁驱动作为一种非侵入性方法，具有良好的可控性和导航性，在驱动微纳米机器人运动方面具有广阔的应用前景。磁驱动可以通过旋转、振荡或开关磁场产生。这些可以提供高的组织/身体穿透深度和多种运动模式，以适应不同的环境。可以实现远程、精确和多自由度(DoF)运动控制。这种驱动是安全的，与人体生物相容。然而，由于标度律，在几微米的尺度上驱动磁性微型机器人仍然是一个挑战。(3) 超声推进：该驱动方式可在体内提供较高的组织穿透深度。材料的形状和密度都可以影响超声微纳米机器人的运动，从而为设计和制造提供了广泛的材料选择。这种类型的推进可以触发快速响应的局部聚集效应。最重要的是，适当强度的超声波场对器官和组织的副作用通常可以忽略不计。(4) 光推进：光束的大小可以调节到亚微米尺度。该驱动方法可以提供选择性波长和多波束辐射，产生具有高时空分辨率的信号，实现特定的运动控制。通过这种方式，轻型推进可以实现快速、精确和多自由度的运动。(5) 电推进：电驱动方法可以为微纳米机器人提供无接触推进力。这些推进力包括电泳(由直流电场形成)、介电电泳(由非均匀场形成)、电渗透和感应电荷电泳(由交流电场形成)。(6) 生物杂化推进：该驱动策略将各种驱动方法与运动型活细胞(如精子、细菌、微藻等)相结合，以改进对不同刺激的方向性和响应性的控制。(7) 联合推进：该驱动方法结合了上述两种或两种以上的驱动策略，以增强推进推力并执行刺激响应的特定任务。主要包括场驱动的生物杂化微纳米机器人和全合成微纳米机器人。趋磁细菌，包括轴向型和极性型，由于它们对磁场的敏感性，能够沿着局部地磁场线快速游动。趋磁性来源于趋磁细菌的细胞器磁小体(包括Fe3O4或Fe3S4)。极性趋磁细菌，如MC-1和MO-1，只能在磁场的引导下游动。因此，它们更适合于制造细菌微机器人(bacteriabots)，因为它们具有自身的驱动力和对磁场的快速响应能力，可以实现高速运动和外部控制。特定的病原体识别和结合能力可以与抗菌微/纳米机器人的功能设计相结合。例如，凝集素是一种糖蛋白，它可以通过选择性地与细胞壁的单糖/低聚糖成分结合来识别细菌表面的碳水化合物成分。通过将刀豆素A(一种凝集素生物受体)外表面功能化，Wang和同事设计了自行驱动的Au-Ni-聚苯胺(PANI)-Pt微管发动机来分离大肠杆菌(图8A)。采用模板辅助电沉积法制备了微型发动机的PANI-Pt双分子层微管，并采用电子束气相沉积法制备了其外层Ni-Au层，用于表面功能化和磁导航。在Pt催化的O2气泡的推动下，这些微型发动机可以在H2O2燃料(7.5% w/v)的存在下，以直接、无标签的光学可视化方式进行实时选择性捕获大肠杆菌。受大自然的启发，循环细胞的原生成分(如红细胞、白细胞、血小板等)可以与抗菌微纳米机器人的材料设计相结合，以继承来自亲本细胞的所需生物功能，如免疫逃逸、病原体相互作用和毒素中和。血小板已被广泛用于开发药物输送系统。最近，Wang和同事报道了血小板伪装纳米机器人的开发，用于捕获和分离生物威胁，如毒素和病原体(图8B)。这些功能纳米机器人是通过将磁性Ni-Au@Pd螺旋纳米马达与人体血小板膜结合而创建的。这种设计使纳米机器人能够继承人类血小板的功能蛋白，表现出类似血小板的行为，并在旋转磁场中长时间在全血中进行高效推进，避免了血液中的显著生物污染。总的来说，这些纳米机器人可以有效地结合并分离志贺毒素和金黄色葡萄球菌。图8. 用于主动捕获细菌的抗菌微纳米机器人。(A) 凝集素修饰微发动机的制作过程及其在目标细菌选择性提取、传递和释放中的应用示意图。Nano Lett., 2012, 12 (1), 396-401. (B) 血小板膜隐形螺旋纳米马达的制备及其在病原体结合和分离中的应用。Adv. Mater., 2018, 30 (2), 1704800.生物大分子或具有固有抗菌活性的材料可以加入到微/纳米机器人中用于杀灭细菌。例如，溶菌酶是一种糖苷水解酶，具有强大的抗菌功能，可降解细菌的细胞壁。然而，这种静态加载溶菌酶的平台可能会受到死细菌在其表面积聚的影响，从而导致其酶活性下降。为了解决这一问题，Wang和同事通过将多孔金纳米线与溶菌酶结合，开发了超声波推动的抗菌纳米马达，它可以切割存在于细菌壁中的肽聚糖的糖苷键(图9A)。超声推进可以使这些纳米马达快速运动，促进溶菌酶-病原体的相互作用，防止死亡病原体在纳米马达表面聚集，并导致它们在很大程度上增强抗菌活性。磁性微纳米机器人还具有良好的磁场运动可控性;当装载Ag NPs时，微纳米机器人可以磁驱动并导航以接触模式破坏目标细菌。例如，Pané和同事开发了一种使用Ag涂覆的磁性纳米线圈靶向和杀死病原体的有效方法(图9B)。采用电沉积法和选择性脱合金法制备了Pd纳米线圈，并分别沉积了具有磁性驱动和抗菌功能的Ni层和Ag层。合成的Pd-Ni-Ag纳米线圈在较低的浓度和较短的处理时间内对多耐药性大肠杆菌和MRSA具有高效的抗菌活性。图9. 用于主动消除细菌的抗菌微纳米机器人。(A) 超声波驱动的纳米机器人与溶菌酶功能化，以实现高效的抗菌活性。标尺：500 nm。ACS Nano, 2015, 9 (9), 9252-9259. (B) 利用磁诱导和导航直接接触杀灭机制制备Pd/Ni/Ag纳米机器人及其抑菌活性。Adv. Funct. Mater., 2016, 26 (7), 1063-1069.由于其体积小和高磁驱动机械力，磁推进微纳米机器人可以穿透细菌生物膜基质，破坏生物膜的形成，并根除成熟的生物膜。为了针对大肠杆菌生物膜，Sánchez和同事通过将非致病性的趋磁细菌(MSR-1)与负载环丙沙星的介孔二氧化硅微管集成开发了生物杂化磁性微泳器(图10A)。磁铁矿Fe3O4 NPs具有良好的生物相容性和固有的过氧化物酶样活性，已被开发成纳米催化剂，用于催化H2O2原位产生自由基，从而降解生物膜基质，快速破坏嵌入的细菌，以防止龋齿。最近，Koo和同事设计了磁驱动的催化抗菌机器人(CARs)，用于精确、高效和可控的杀灭、降解和去除细菌生物膜(图10B)。CARs采用催化和磁性Fe3O4 NPs产生杀菌自由基，分解生物膜基质，并通过磁场驱动的机器人组件根除碎片化的生物膜碎片。图10. 用于主动根除生物膜的抗菌微纳米机器人。(A) 用于清除生物膜的抗菌微型机器人。(a) 趋磁细菌和生物杂交微型机器人的扫描电镜；(b) 生物杂交微型机器人的磁导航进入大肠杆菌生物膜岛。(c) 被困在大肠杆菌生物膜中的生物杂交微型机器人的扫描电镜图像。ACS Nano, 2017, 11 (10), 9968-9978. (B) 催化抗菌机器人(CARs)在外磁场作用下去除细菌生物膜的潜在应用方案和一个显示牙齿生物膜去除的实验实例。Sci. Robot., 2019, 4 (29), eaaw2388.细菌毒素可引起多种疾病，如食物中毒、急性炎症(如：肾小球肾炎、胆囊炎或胃肠炎)和肠外感染(如：败血症、肺炎、尿路感染等)。因此，快速检测细菌毒素对于预防和治疗相关疾病至关重要。通过跟踪活跃的微/纳米机器人进行基于运动的检测，由于加速了“移动分析”，在细菌毒素的快速化学/生物传感方面表现出了巨大的前景。Zhang和同事开发了基于荧光磁孢子的微型机器人(FMSMs)来主动检测患者粪便中存在的艰难梭菌(C. diff)分泌的毒素(图11A)。FMSMs (CDs@Fe3O4@孢子)由天然孢子、磁性Fe3O4 NPs和荧光碳点(CDs)组成。由于这些成分的协同作用，FMSMs可在数十分钟内完成C. diff上清和临床粪便样本中细菌毒素的基于运动的选择性检测，其分析时间比酶联免疫吸附试验(ELISA)至少缩短8倍。脂多糖(LPSs)作为毒性炎症刺激剂，可触发宿主免疫细胞(如：单核细胞和巨噬细胞)分泌多种炎症因子，最终可能导致感染性休克和器官衰竭。Escarpa和同事设计了磁催化石墨烯量子点(GQDs) Janus微马达，用于细菌内毒素LPSs的超快检测(图11B)。为此，采用自下而上的策略，将大量磁性Fe3O4 NPs和催化Pt NPs合并在微马达本体的一侧。这导致Pt NPs和Fe3O4 NPs不对称聚集在聚己内酯(PCL)微粒的一个半球上，用于高效气泡推进(在H2O2燃料中)、磁驱动和控制方向性。GQDs与LPSs相互作用时发生荧光猝灭；因此，苯硼酸标签可以作为LPSs核心多糖区的识别受体，具有较高的特异性。图11. 用于主动检测细菌毒素的抗菌微纳米机器人。(A) 基于孢子的毒素检测微型机器人。(a) 多孔自然孢子和spore@Fe3O4 @CDs微型机器人的SEM图像；(b) 磁场驱动下微型机器人的三种运动方式；(c) 利用移动微型机器人自主检测传染性粪便中的毒素。Sci. Adv., 2019, 5 (1), eaau9650. (B) 磁性Janus微马达的制造过程，它可以由化学燃料和磁场驱动。Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56 (24), 6957-6961.在实现抗菌微纳米机器人的临床转化和应用之前，还需要进一步的研究和改进。为此，未来在设计和开发抗菌微纳米机器人以进入现实应用场景时应考虑几个方面。3D打印技术在制造抗菌微纳米机器人方面前景广阔。然而，有两个主要问题需要注意：(1) 迄今为止，大多数3D打印材料不具有抗菌性能，仅用于微纳米机器人的结构和生物相容性部分。为了赋予微纳米机器人抗菌能力，必须在3D打印的微纳米机器人的身体表面沉积特定的抗菌剂或纳米材料，或在打印后/打印期间将其纳入其基质中；(2) 还需要在3D打印的微纳米机器人上涂覆能够对外部场(例如磁、光和电)做出反应的功能性纳米颗粒，或在打印后/打印期间嵌入到它们的体内。(1) 配制抗菌墨水，用于一步3D打印抗菌微纳米机器人；(2) 通过多材料3D打印方法实现抗菌微纳米机器人的全3D打印。为了在复杂的生理环境中精确地执行各种抗菌任务(如：生物膜根除、细菌消除和细菌毒素清除)，抗菌微纳米机器人应设计为可视操作、导航和三维运动控制。例如，在临床成像设备的引导下，单个抗菌微纳米机器人或一群抗菌微纳米机器人可视化地被驱动到细菌感染的部位，然后释放装载的药物或在局部产生高热来杀死细菌。为此目的，常规临床成像方法，如磁共振成像(MRI)、磁粒子成像(MPI)、超声检查、光声成像(PAI)、光声计算机断层扫描(PACT)、正电子发射断层扫描(PET)、光学相干断层扫描(OCT)和X射线计算机断层扫描(X-CT)，在同时驱动和引导抗菌微纳米机器人到达目标感染部位方面具有巨大潜力。将病原体的特定识别集成到微纳米机器人中应该能够实现运动辅助的诊断方法，从而实现快速车载传感和病原体识别。采用凝集素和血小板膜等细菌结合物质分别选择性捕获和分离大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，由于运动增强效应，捕获和分离效率很高。此外，电化学或荧光信号可以与运动的微纳米机器人耦合，从而利用信号的变化来监测致病性感染的发生和进展。在设计用于感染治疗的抗菌微纳米机器人时，除了对目标病原体的特异性识别和捕获外，选择性杀灭病原体也非常重要，以尽量减少对人体正常细胞和组织或益生菌和肠道菌群的潜在毒性或损害。在临床前研究和临床应用前，应充分考虑抗菌微纳米机器人的生物相容性和生物降解性/可回收性。
李金华，男，北京理工大学教授、博士生导师。德国洪堡学者，北理工“特立青年学者”，北理工医学技术学院材料与再生医学工程方向责任教授。北理工医学技术学院党委委员、教代会主席、学术委员会委员。科技部基金评审专家、教育部基金评审专家、中国博士后科学基金评审专家。主要研究方向为微纳米机器人、生物材料、3D打印、组织工程、再生医学、智能药物递送等。在Chemical Society
Reviews、Advanced Materials、Materials Today、Materials Science and
Engineering: R: Reports、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Materials Horizons、Biomaterials等国际著名学术期刊累计发表SCI论文50余篇，撰写书章节1篇，h值32，累计引用3400余次（Google Scholar），ESI高被引论文3篇，ESI热点论文2篇。获批主持3项国际性人才类项目（德国洪堡学者、欧盟结构与投资基金人才项目、欧盟玛丽居里学者）；国际科学组织Vebleo协会会士；曾荣获香港大学杰出研究成果奖。担任Cyborg and Bionic
Systems期刊编委，Frontiers in Chemistry期刊客座主编。个人学术主页：https://orcid.org/0000-0003-1110-7471https://www.x-mol.com/groups/lijinhua