微纳米马达是能够将其他形式能量转化为机械能并实现特定目标任务的微小型器件。由于生物酶的天然来源特性、温和反应条件以及底物燃料无毒性的特点，酶驱动微纳米马达在生物医学等领域具有重要的应用前景。本文介绍了酶驱动马达的种类、运动机理、生物医学与传感检测等应用的研究现状，并展望了其在未来发展中的机遇与挑战。

01、研究内容简介

生物酶是天然的生物催化剂，具有很高的特异性和催化效率。而且酶是一种广泛存在于生物体内的蛋白质，酶触发的生物催化反应为活细胞的大部分生理活动提供能量，这些反应通常发生在较为温和的生理环境中，且利用生理环境可获得的底物作为燃料，因此酶反应体系具有良好的生物相容性。目前，大多数微纳米马达的制备材料或驱动方式对生物细胞具有毒害作用，无法应用到生物体内，这极大地限制其在生物医学中的应用。然而，与传统微纳米马达相比，由于酶具有良好的生物相容性、天然的催化底物以及温和的酶促反应条件，酶驱动微纳米马达在生物医学应用方面表现出了明显的优势。本文介绍了不同类型的酶驱动马达，包括单酶马达、分子马达和由不同酶推动的人工微纳马达，并讨论了酶驱动微纳米马达的推进策略和能量转化机制，以及影响其运动行为的关键因素，阐述了酶驱动微纳米马达的各种生物医学和传感检测应用。最后，本文对酶驱动微纳米马达在未来发展中面临的机遇和挑战进行了总结和展望。

图1：生物酶驱动微纳米马达的种类汇总

（1）第一部分主要介绍酶驱动微纳米马达的种类以及驱动机制（图1）：驱动蛋白、动力蛋白、ATP合成酶等生物体内天然存在并且可以参与生化反应的这一类分子马达可以被认为是天然的酶驱动微纳米马达。生物酶触发的催化反应可以将化学能转化为机械能，并可用于驱动这些微纳泵和微纳马达。除了自身可作为马达的生物酶以外，通过化学修饰或物理吸附的方式将生物酶修饰到不同的微纳米结构，并利用酶催化反应提供驱动力，可以实现人工微纳马达的自驱动运动。为了解决化学驱动马达燃料毒性问题，科研工作者采用脲酶分解尿素的催化反应，利用自电泳或自扩散泳的方式推动微纳米马达运动。同时脲酶分解尿素过程中几乎不产生气泡，有利于马达的生物医学应用。除过氧化氢酶以及脲酶外，自然界中存在多种生物酶可以用于未来不同微纳米马达的制备。开发各种不同生物酶驱动的微纳米马达可以进一步极大丰富酶马达的驱动方式以及应用场景。

（2）第二部分主要总结了关于酶驱动马达自推进运动的机理。首先单酶作为天然分子马达，在酶反应的过程中，酶蛋白构象的转变、反应物与产物浓度梯度、以及反应热效应、化学声学效应等，都对单酶纳米马达的增强扩散运动起着重要作用。把酶反应体系作为一种驱动力来源，通过不同的推进机制可以驱动化学合成的人工微纳结构，从而组装成酶驱动人工微纳马达。比如在酶反应过程中可以产生物质浓度梯度场，进而通过自泳效应来推进酶马达的运动(图2)；气泡推进也是一种典型的驱动方式，是由过氧化氢酶分解过氧化氢产生氧气来实现气泡驱动。其次，酶的趋化行为对酶微纳马达的智能仿生靶向运动提供了可能性。最后，本文简要讨论了酶驱动微纳马达运动的各种影响因素。

图2：不同人工合成酶驱动微纳米马达的结构与驱动机理。

图3：酶驱动微纳米马达的生物医学应用。

（3）第三部分主要回顾了酶驱动微纳米马达在药物递送、生物传感以及环境治理等方面的应用。由于酶驱动微纳米马达具有良好生物相容性和可控运动，已经被广泛应用在靶向药物输送等生物医学领域的研究中（图3）。例如，对于靶向药物递送，酶驱动微纳米马达的运动可以克服一定的生物屏障，提高药物递送的效率，改善治疗效果。在光动力治疗，酶驱动微纳米马达的运动性质能够促进单线态氧的扩散，增强光动力治疗效率。酶驱动微纳米马达还可以作为一种可移动平台，利用各种分析信号(运动速度、颜色和荧光)的变化来实现对生物化学物质的传感检测，拓展其在传感领域的应用。

虽然酶驱动微纳米马达在生物相容性方面具有一定的优势，但是其生物医学等领域的应用仍然面临诸多挑战。同时，单酶马达和酶驱动马达的自驱动机制仍存在较大争议。其次，针对酶驱动微纳米马达在各个领域的实际应用，仍需要提高其推进力，以克服周边复杂环境带来的阻力，例如目前提高驱动力的方法包括改变马达形状以适应流体动力学，增加酶的催化能力(如增加酶的催化单位)，以及使用级联反应等等。在未来，除了目前报道的策略外，还需要引入更先进的分析或测试技术，验证酶促反应产生推进力的能量转换机制，为未来发展具有更强推进能力的高效酶驱动微纳米马达提供基础和理论指导。

02、通讯作者简介

第一作者：袁昊

哈尔滨工业大学（深圳），2018级硕士研究生，研究方向为自驱动微纳米马达污染环境运动行为及降解性能研究。

刘小霞

哈尔滨工业大学（深圳），2020级博士研究生，酶驱动微纳米机器人用于生物检测。

王丽英

哈尔滨工业大学（深圳），2020级博士研究生，自驱动微纳米马达的运动性能研究及其在生物医药领域的应用。

通讯作者：马星

博士，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院教授、博导，广东省青年五四奖章获得者，德国洪堡学者。马星博士毕业于新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院，德国马克斯普朗克智能系统研究所博士后，曾获马普智能所杰出青年科学家奖，2016年破格入选国家青年人才计划，深圳市孔雀计划B类人才。担任中科院一区期刊《材料科学与技术（英文版）》学术副主编，中国微米纳米技术学会微纳执行器分会理事。马星博士迄今发表论文100余篇，包括Adv. Mater.，JACS, Angew Chem., ACS Nano等国际顶级期刊，引用6000余次（Google Scholar）, H因子38。

03、资助信息

该研究得到了国家自然科学基金项目（51802060 ）、深圳市科技计划项目(KQTD20170809110344233)、深圳湾实验室项目(SZBL2019062801005)和广东省自然科学基金项目(20119a1515010762)的资助的支持。

04、原文信息

Hao Yuan#, Xiaoxia Liu#, Liying Wang, Xing Ma∗. 

Fundamentals and applications of enzyme powered micro/nano-motors. 

Bioactive Materials 6 (2021)1727-1749.