层流，作为血液在血管中流动的一种正常生理状态，具有流线分明、互不干扰的特点，这有助于减少血管壁的摩擦和损伤。然而，在血栓治疗领域，层流却成为了一个天然的生理屏障。当药物试图通过血液流动扩散至血栓区域时，层流特性使得药物分子难以有效穿透血栓周围的流动层，从而大大降低了治疗效率。
▍制备MPFSN集群，实现药物精准输送
随着纳米技术的发展，尺寸介于微米和纳米尺度的游动纳米机器人近年来在血栓治疗领域展现出巨大潜力。凭借尺寸小、推重比大、可控性好等特性，游动纳米机器人能够通过主动导航和定位，将药物精准输送至血栓部位，从而提高治疗效果。
然而，目前游动纳米机器人的应用主要集中在新鲜、未完全闭塞的血栓治疗上，对于密度大、时间久的陈旧性血栓，其治疗效果仍显不足。此外，现有的游动纳米机器人研究多侧重于单个机器人的性能优化，也缺乏利用纳米机器人群体协作来征服血栓周围层流以输送药物的生物物理策略。
面对以上挑战，哈尔滨工业大学贺强教授团队和哈尔滨医科大学附属第二医院冷晓萍教授团队携手合作，对使用游动纳米机器人进行血栓治疗的相关难题进行了深入研究，并受大肠杆菌觅食行为的启发，提出了一种“利用可重构的涡旋状纳米机器人集群来突破层流限制，提高血栓治疗效率”的创新性的策略。
通过在真空条件下通过将脂肪酸、UPA和Fe3O4的混合溶液注入通过低聚物水热聚合制备的纳米烧瓶中，研究团队制备了由可降解的磁性五聚糖烧瓶状游泳纳米机器人MPFSN。在旋转磁场的控制下，MPFSN能够自主运动并形成涡旋状集群。这一集群能够像细菌觅食时形成的涡旋一样，有效破坏血栓周围的层流屏障，使药物分子得以穿透流动层，直接作用于血栓部位，进而提高靶向药物的输送效率。
该研究成果不仅在理论上突破了层流限制对药物扩散的束缚，更在实验上验证了其优秀的治疗效果。MPFSN集群不仅显著提高了溶栓效率，还展示了良好的生物安全性和组织相容性，为血栓性疾病的高效治疗提供了新的可能。
日前，该研究成果的相关论文以“Breaking the Limitation of Laminar Flow in Thrombolytic Therapy with Reconfigurable Vortex-like Nanobot Swarms
”为题发表国际权威学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，并被评为Hot Paper。论文作者包括哈尔滨工业大学生命科学与医学学部博士研究生杨婷新、哈尔滨医科大学附属第二医院博士研究生刘锦鸿等人。通讯作者则由哈尔滨工业大学贺强教授和哈尔滨医科大学附属第二医院冷晓萍教授共同担任。
▍MPFSN的制备和表征
在制备方面，MPFSN的原料选择至关重要。五聚糖作为纳米机器人的主体材料，赋予了其独特的烧瓶形态。而Fe3O4纳米颗粒的加入，则使MPFSN具备了磁控运动的能力。通过水热合成和真空灌注和纯化等一系列精细的制备步骤，研究团队成功制备了具有烧瓶形态的纳米机器人，并确保了药物和磁性颗粒在纳米机器人内部的均匀分布。
在表征方面，为了对MPFSN进行全面的分析，研究团队通过SEM和TEM等形态表征手段，观察到了MPFSN的烧瓶形态和内部结构，确认了药物和磁性颗粒的均匀分布，运用XRD和FTIR等结构表征手段进一步研究了MPFSN中各组分的晶体结构和化学结构，以及它们之间的相互作用，并通过UV-Vis和HPLC等药物负载与释放表征手段，测定了MPFSN中溶栓药物的负载量，研究了其释放行为。
在MPFSN的可控运动研究方面，研究团队利用旋转磁场作为驱动力，实现了对MPFSN集群的精准控制。他们发现，在旋转磁场的作用下，MPFSN能够自主翻滚和滚动，形成稳定的涡旋状集群。通过调节磁场的频率和强度，研究团队还能够控制MPFSN集群的运动速度和形态变化。此外，他们还验证了MPFSN集群在不同生物介质中的适应性，展示了其在复杂生理环境中的稳定性和可控性。
▍MPFSN集群溶栓效果与临床应用评估
为了验证MPFSN集群在血栓治疗中的实际效果，研究团队进行了一系列的体内外实验。
在体外实验中，研究团队利用模拟的血栓模型，观察了MPFSN集群在旋转磁场作用下的溶栓效果。结果显示，在近红外光的照射下，MPFSN集群能够迅速释放溶栓药物UPA，并有效清除血栓。与未使用MPFSN集群的对照组相比，其溶栓效率提高了近10倍。
在体内实验中，研究团队建立了大鼠深静脉血栓模型，并通过尾静脉注射的方式将MPFSN集群注入动物体内。在旋转磁场的引导下，MPFSN集群成功到达了血栓部位，并形成了稳定的涡旋状集群。通过超声血流成像技术，研究团队实时观察了血栓的溶解过程，并记录了血流恢复情况。结果显示，在注射MPFSN集群后的6分钟内，血栓几乎被完全溶解，血流得到了显著恢复。
而除了验证MPFSN集群的溶栓效果外，研究团队还对其生物安全性和组织相容性进行了详细评估。
通过检测动物体内的生化指标、组织切片和器官毒性等方式，研究团队全面评估了MPFSN集群对动物体的影响。结果显示，MPFSN集群具有良好的生物降解性和器官毒性低的特点，不会对动物体造成明显的损害。
为了进一步验证MPFSN集群在临床应用中的可行性，研究团队还对其在复杂生理环境中的稳定性和可控性进行了评估。他们发现，尽管在血清和血液等生物介质中，MPFSN集群的运动速度会受到一定影响，但其仍然能够保持稳定的涡旋状结构，并实现对药物的精准输送。这一结果进一步证明了MPFSN集群在临床应用中的潜力和价值。
▍关于未来
尽管MPFSN集群在实际应用中仍面临如何确保MPFSN集群在体内的长期安全性和稳定性？如何实现其大规模生产和商业化应用？等挑战。
但哈尔滨工业大学与哈尔滨医科大学附属第二医院的这一合作研究成果，无疑为血栓治疗提供了新的思路和方法，也为微纳米机器人在生物医学领域的应用开辟了新路径。
未来，研究团队不仅将在未来的工作中针对上述问题进行进一步探索，寻找解决方案，还将继续深入挖掘MPFSN集群的潜力，进行将MPFSN集群应用于肿瘤治疗或精准手术中、将MPFSN集群与AI技术相结合实现治疗过程监控等尝试，探索其在其他医疗领域的应用可能性。
参考文章：
https://doi.org/10.1002/anie.202425189
