1. 成功合成一种新颖的“引擎-车厢”结构的介孔纳米卡车。3. 纳米卡车表现出增强的纳米-生物相互作用和高效的药物递送。非对称结构是一种基于单一粒子设计“纳米智能系统”的理想选择。与经典的核-壳结构的纳米材料相比，非对称结构的纳米复合材料不仅可以非常好地实现单一颗粒对于多种功能的复合，而且各个组分可以独立工作而不会互相干扰，在最大程度地独立工作发挥其功能的同时，又可以相互协同作用。这使非对称结构纳米颗粒成为真正的“多功能实体”。此项研究工作利用非对称纳米结构的独特优势，很好地协调了药物输送中纳米载体对粗糙表面和高表面积的多重要求。在该研究工作中，复旦大学李晓民研究员、赵东元院士团队发展了界面能调控的各向异性生长策略，巧妙地设计并可控地合成了一种非对称“引擎-车厢”结构的介孔纳米卡车。这种上/下转换稀土发光粒子（U/DCNP）功能化的rSiO2＆PMO纳米卡车整体结构分为两个部分：（1）具有粗糙表面的球形多层核壳结构U/DCNP@SiO2@rSiO2单元作为增强纳米-生物相互作用的“引擎”;（2）具有高表面积的PMO单元作为高效药物负载的“车厢”。如图2所示，研究人员首先利用 “层层生长”的方法合成了稀土发光U/DCNPs，并利用“反相微乳法”在其表面包裹了亲水SiO2层，得到U/DCNP@SiO2；然后通过该课题组此前报道的“单胶束外延生长”的方法进一步制备了表面粗糙的多层核壳结构纳米颗粒（U/DCNP@SiO2@rSiO2），即“卡车引擎”；最后利用界面能调控的各向异性生长策略，以1,2-双（三乙氧基甲硅烷基）-乙烷（BTEE）为前驱体，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为结构导向剂，在U/DCNP@SiO2@rSiO2的粗糙表面上各向异性的组装生长棒状介孔有机硅PMO，即“卡车车厢”，得到非对称结构的U/DCNP@SiO2@rSiO2&PMO纳米卡车。研究结果表明，所制备的U/DCNP@SiO2@rSiO2&PMO纳米卡车在保持U/DCNP@SiO2@rSiO2单元粗糙表面的同时，由于PMO单元的引入，其比表面积也有大幅提升，对于药物高效负载具有重要作用。图2. 纳米卡车的合成路线示意图及相关电镜、比表面积和光谱表征。研究人员发现，通过简单地调节rSiO2和有机硅烷前驱体BTEE的浓度，可以很好地调控PMO车厢和rSiO2车头之间的比例。随着rSiO2纳米粒子的初始浓度从0.25 mg/mL增加到1.0 mg/mL，PMO纳米棒的长度从560nm减少到130 nm。此外，通过提高BTEE的浓度，PMO纳米棒的直径可以从60 nm增加到230nm。相应地，研究人员通过非对称结构中PMO单元的长度和直径的调控，可以实现对纳米卡车比表面积和载药量的调控。图3. 纳米卡车PMO车厢的可控生长及相关电镜表征。
研究人员通过详细考察不同反应条件下PMO的生长过程，发现PMO在rSiO2表面的各向同性生长和各向异性生长是相互竞争的关系。反应体系中氨水的浓度可以有效地调控这一竞争关系，即氨水浓度驱动的界面能调控各向异性生长过程。由于粗糙表面对于成核位点的形成有促进作用，在低浓度氨水条件下，PMO在rSiO2表面更倾向于各向同性生长（粗糙表面被覆盖），形成核壳结构rSiO2@PMO，难以实现预想的一端为粗糙rSiO2，一端是高比表面积PMO的非对称结构。在该研究工作中，研究人员通过大幅度提高氨水的浓度，影响了rSiO2表面的SiO-分布，进而改变了PMO在rSiO2表面生长过程中的界面能，使其更倾向于各向异性生长，形成非对称纳米卡车结构。研究人员还发现，这种氨水驱动界面能调控的各向异性生长过程具有一定普适性，能够指导更多非对称复合结构的合成，例如，rSiO2&cubic-PMO、rSiO2&mSiO2、CdS&PMO等。图4. 氨水驱动界面能调控PMO在rSiO2粗糙表面各向同性及各向异性生长示意图、相关电镜表征及生长机理示意图。图5. 立方相PMO在rSiO2粗糙表面的各向同性及各向异性生长。要点4：纳米卡车具有增强的纳米-生物相互作用和高效的药物递送研究人员发现，这种非对称纳米卡车具有增强的纳米-生物交互作用及药物负载能力，结合嵌入的稀土发光功能纳米粒子，该纳米卡车可以很好地用于近红外光成像指导下的药物控制释放和肿瘤诊疗。图7. 纳米卡车用于成像指导的肿瘤富集及药物递送。这一研究成果，将进一步加深我们对纳米-生物交互作用、纳米材料精细设计和可控合成的理解，为纳米医学、生物传感和催化提供新颖的多功能平台。Wang W, et al.Engine-Trailer-Structured Nanotrucks for Efficient Nano-Bio Interactions andBioimaging-Guided Drug Delivery. Chem, 2020.DOI: 10.1016/j.chempr.2020.01.010https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929420300346
