Small Methods:DNA-纳米粒子组装的机器人操控

正文

在过去的几十年里,科学家们开发了基于各种驱动原理的不同类型的纳米机器人,以实现对它们的控制操作,从而在医疗诊断和定向货运等潜在应用中发挥作用。医疗机器人可以在适应人体的前提下,进行复杂、准确的诊断和治疗操作。多功能纳米机器人将允许自己进入人体的几乎所有部位,将手术细化到细胞甚至分子水平,并以更高的准确性和效率提供局部诊断和治疗。不可否认,纳米机器人有其独特的特点,在某些特定任务中表现良好。然而,要加速微纳机器人技术的发展,仍有许多挑战和局限性有待解决。在这里,我们设计了由一条单链DNA(ssDNA)或两条ssDNA和一个纳米粒子组装而成的新型纳米机器人。它们的运动由电泳和电渗共同控制,所构建的纳米机器人可以在石墨烯膜上移动,带有编码的带电阵列纳米孔,以调节其表面电荷。利用外加电场和每个纳米孔的表面电荷密度的控制策略,实现对纳米机器人的编码操作。

东南大学流体组司伟副教授研究报道了此编码式纳米机器人的操控。该文在理论上通过电渗和电泳的结合以及它们之间的竞争实现了纳米机器人的定向操控,包括:

(1)  单足纳米机器人的捕获跳跃移动实现;

(2)  双足纳米机器人的捕获跳跃移动实现;

(3)  双足纳米机器人捕获后在双孔之间的爬行实现。

在本项工作中,利用电泳和电渗对位于石墨烯膜上方的纳米机器人进行控制。电泳通过外加电场实现,电渗通过对阵列纳米孔附加电荷的编码控制实现,使用编码“0”代表负电荷,“1”代表正电荷。

图1. DNA纳米粒子组装的纳米机器人进行编码操作的分子动力仿真示意图。(a) 典型MD模拟系统的示意图。(b) 芯片中编码纳米孔的示例。纳米孔的荷电状态由“1”或“0”表示“1”和“0”表示纳米孔分别带正(粉红色)和负(绿色)电荷。(c) 面板b中显示了编码为“0010”的四个纳米孔膜的二维静电电势分布的典型示例。

图2. 编码纳米孔捕获和释放的单足纳米机器人的MD模拟。(a) 通过切换纳米孔的代码实现的纳米机器人的捕获跳跃运动。(b) 在整个编码操作模拟过程中,纳米粒子质心的投影。(c) 通过石墨烯左上方纳米孔的Cl-、K+和水分子的数量。(d) 纳米颗粒沿x、y和z方向的位移。(e) 系统通过纳米孔的离子电流大小。(f) 通过石墨烯膜每个纳米孔的核苷酸数量。(g) 施加电场的控制策略以及每个纳米孔的表面电荷密度。

图3. 双足纳米机器人的MD模拟。(a) 通过切换纳米孔的代码实现的纳米机器人的捕获跳跃运动。(b) 通过切换纳米孔的代码实现的纳米机器人的爬行运动。

在本研究中,我们从理论上介绍了使用预先设计的控制策略对多足纳米机器人进行编码操作的可行性。固态膜中的阵列纳米孔通过改变其表面电荷密度进行独立编码,选择性离子传输动力学将产生相当大的电渗。通过切换纳米孔和外部电场的代码,电渗和电泳的结合以及它们之间的竞争将在独立的纳米孔中发生,引导作用在纳米机器人上的可控力,从而实现多足纳米机器人的良好控制跳跃和爬行。

由于所设计的纳米机器人有效且可控,多足纳米机器人的编码操作被认为在药物测试、药物递送、纳米手术、手术辅助等领域取得了巨大进展。我们希望这项研究的结果能够为设计和驱动纳米机器人的发展提供一些有见地的帮助,使其在未来具有广泛的潜在应用。

论文信息:

Encoding Manipulation of DNA-Nanoparticle Assembled Nanorobot Using Independently Charged Array Nanopores

Wei Si*, Zhendong Zhu, Gensheng Wu, Yin Zhang, Yunfei Chen, Jingjie Sha* Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200318

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200318