近日，暨南大學王吉壯副教授和李丹教授團隊提出一種微納加工與界面自組裝耦合的合成策略，采用可設計的光刻模板實現(xiàn)了金屬有機框架磁控微納機器人的可定制化構筑，并通過結合脂肪酶成功實現(xiàn)了甘油三酯的高效降解。這一策略不僅有效解決了金屬有機框架微納機器人靈活設計與精準操控的難題，同時推動了微納機器人在精準醫(yī)學與環(huán)境治理領域的進一步發(fā)展。

（來源：Matter）

研究中，他們開發(fā)了利用微納加工與界面自組裝相結合的方法構筑磁控微齒輪機器人（MMWRs，manipulated microwheel-robots）的策略，該方法能夠原位耦合磁性納米粒子，并實現(xiàn)了可設計性結構的可控構造，比如圓形、方形、多齒輪結構等。

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在各類微納機器人的操控方式中，磁場驅動因其非侵入性、高精度控制及遠程操控能力，被認為是最具潛力的驅動方案之一。該工作所構筑的金屬有機框架微齒輪機器人能夠通過可邏輯編程的三維亥姆霍茲磁操控裝置實現(xiàn)多種可切換的運動模式、精準的磁操控和復雜的操作任務。如站立-躺下、原地的順時針和逆時針旋轉、軸向滾動和徑向滾動以及跨越障礙等各種復雜操控，而且這些不同的運動方式可很好的適應多種生物環(huán)境。

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在金屬有機框架微齒輪機器人成功構筑和靈活操控的基礎上，該工作也針對甘油三酯的降解進行了功能化設計。甘油三酯是人體內的重要脂類物質，其水平高低與心腦血管健康密切相關。作為血脂檢測中的關鍵指標，甘油三酯的異常升高會顯著增加動脈粥樣硬化和心腦血管疾病的風險。因此，如何科學有效地調控甘油三酯水平成為醫(yī)學研究的重要課題。

得益于運動誘導擴散與反應的正反饋機制，研究團隊通過負載脂肪酶實現(xiàn)了對甘油三酯的增強降解效果。具體來說，磁操控能夠精準的定位到甘油三酯，并能夠實現(xiàn)收集和操控；此外，原位的旋轉運動能夠增強擴散作用，而脂肪酶催化反應的產物丁酸使得環(huán)境酸化，進而促進金屬有機框架的分解，加速脂肪酶的釋放，正反饋機制顯著提高了甘油三酯的降解效率。基于金屬有機框架的可定制構筑方法為功能性磁操控微納機器人的發(fā)展提供了新的路徑，有利于推進在相關疾病治療或環(huán)境應用的發(fā)展。

（來源：Matter）

在實際應用中，血流是一個不可忽視的重要因素，因此，在動態(tài)環(huán)境中的運動能力至關重要。結果顯示，MMWRs 能夠有效的在模擬血液中實現(xiàn)逆流運動。此外，研究團隊采用了正電子發(fā)射斷層成像技術（PET，Positron Emission Tomography）實現(xiàn)了對于對微納機器人進行跟蹤與定位，為深層組織的成像與運動實時檢測提供了可能。

（來源：Matter）

該成果雖然只展示了對甘油三酯的增強的降解，但是該工作中所開發(fā)的可設計性制備策略，能夠為基于金屬有機框架的微納機器人的構筑和應用帶來了新的可能性。在生物醫(yī)學領域，該技術可以用于靶向藥物遞送，精準定位病灶區(qū)域并釋放藥物，從而提高治療效果并減少副作用。在環(huán)境治理領域，該技術可用于處理水體中的污染物，通過磁操控實現(xiàn)污染物的精準收集和降解，能為水體修復和污染治理提供高效、可控的新方法。

微納機器人是一類尺寸介于微米至納米尺度的微型器件，能夠高效地將外部能量轉化為機械運動。因其微型化、精準操控和多功能性而備受關注，在生物醫(yī)學、環(huán)境治理等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

研究團隊長期關注新型微納機器人的開發(fā)，尤其是可定制化的設計，包括結構、操控方式以及功能性的靈活定制。其認為，這些方面的突破將為打造基于應用需求的功能微納機器人奠定技術基礎，推動其在實際應用中的發(fā)展。

作為一類具有高度設計靈活性的多孔材料，金屬有機框架憑借其卓越的藥物負載能力和靈活的化學響應特性，在靶向藥物遞送和環(huán)境修復等領域表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。因此，金屬有機框架材料被視為構筑微納機器人的重要材料之一。

然而，目前基于金屬有機框架的微納機器人在可設計性構筑及應用導向的功能化設計方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。王吉壯對 DeepTech 表示：“我博士畢業(yè)于香港大學，師從唐晉堯教授，期間主要從事光驅動微納機器人的開發(fā)與機理研究，那時我和同事主要是通過微納加工的方法來制備太陽能電池結構的硅基微納馬達，這使得我積累了微納加工的相關技術，為本項目的提出打下了基礎。”

圖 | 王吉壯（來源：王吉壯）

2020 年初，王吉壯入職暨南大學化學與材料學院，并加入了李丹教授的超分子配位化學研究所。自工作以來，王吉壯便開始關注微納機器人應用領域的相關研究。同時，王吉壯深入探索了金屬有機框架材料的設計及其廣泛應用。

金屬有機框架材料具有諸多顯著優(yōu)勢，例如靈活的化學可設計性、高比表面積和可調節(jié)的孔結構等，這些特性使其在生物醫(yī)學和環(huán)境等領域展現(xiàn)出獨特且重要的應用價值。而這些應用方向與微納機器人的研究應用目標高度契合。因此，他們開始關注將金屬有機框架材料作為微納機器人的主體材料展開研究。

經過細致的調研，研究團隊發(fā)現(xiàn)基于金屬有機框架材料的微納機器人研究已經取得了不少令人矚目的成果，這些成果充分展現(xiàn)了材料本身的優(yōu)異性能以及微納機器人獨特的技術優(yōu)勢，進一步堅定了研究團隊深入探索這一領域的決心。

與此同時，如前所述，他們發(fā)現(xiàn)了金屬有機框架基微納機器人在可設計性構筑及應用導向的功能化設計方面仍面臨挑戰(zhàn)。為此，研究團隊在調研過程中也總結了金屬有機框架材料界面合成以及膜材料等制備方法。此外，他們也關注到金屬有機框架在合成過程中能夠實現(xiàn)磁性納米顆粒的原位嵌入。幾個方面的結合使得研究團隊開始了本課題的設計。

王吉壯表示：“在材料的選擇與應用上，我受到了哈工大王磊教授關于脂肪酶馬達工作的啟發(fā)，而脂肪酶在降解甘油三酯的時候會產生酸性產物，這使我們聯(lián)想到 pH 響應類的金屬有機框架材料也許能夠產生一個正反饋的效果。”而 ZIF-8 就是一種非常好的備選，在考察了其界面合成、生物兼容性、酸環(huán)境響應以及酶負載可行性的基礎上，研究團隊最終確定了以 ZIF-8 作為主體材料進行該課題的嘗試。

之后，他們開始了不同光刻模板的設計與工藝條件探索，其中比較困難的是光刻工藝的優(yōu)化，包括光刻膠厚度、圖形尺寸、圖案間隔等均進行了很多次的嘗試，期間克服了容易褶皺、脆裂、材料支撐不夠、脫模困難等一系列難題，最終確定了最佳的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了可設計形狀的可控制備。

解決了以上問題之后研究團隊便開展了操控研究，通過可編程的三維亥姆霍茲磁操控平臺探索了一系列的運動方式和操控性能。在此基礎上開展了甘油三酯的降解探索，并研究了液滴操控、運動增強的降解效率以及 pH 正反饋效果等。

成像也是微納機器人應用的關鍵問題之一。所以，研究團隊也想更加直接地與成像技術耦合，以更好地驗證實際應用的可行性。為此，他們開展了多方面的嘗試包括熒光的引導等等，并嘗試了淺層組織的顯像技術。“而對于更深層組織的成像技術，則得到了上海科技大學熊澤研究員和羅宗化研究員給予的大力支持，通過 PET-CT 成像技術的耦合，進一步驗證了其在生物體應用的可行性。”王吉壯表示。

日前，相關論文以《基于 MOF 的磁控微輪機器人用于甘油三酯降解》（MOF-based magnetically manipulated microwheel-robots for triglyceride degradation）為題發(fā)在Matter[1]。暨南大學研究生梁梓賢是第一作者，暨南大學王吉壯副教授和李丹教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Matter）

總的來說，本次研究旨在解決金屬有機框架微納機器人在可設計性構筑、精準操控及功能性應用等方面的難題，推動其在生物醫(yī)學和環(huán)境治理領域的實際應用，為智能微納機器人的開發(fā)和應用提供了相關參考。

目前，研究團隊正在探索靶向藥物遞送和診療方面的工作，希望借助該金屬有機框架微納機器人平臺實現(xiàn)更多的生物醫(yī)學方面的特色應用。

參考資料：

1.Liang, Z., Zhang, J., Cao, Q., Li, W., Dai, Y., Zhao, Y., ... & Li, D. (2025). MOF-based magnetically manipulated microwheel-robots for triglyceride degradation.Matter.https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102198

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