联合樊春海院士、唐本忠院士！上海大学诸颖教授最新Nature Materials！

将分子机器与无机纳米粒子连接起来，原则上可以产生具有扩展功能的混合纳米机器。在这里，上海大学诸颖教授联合上海交通大学樊春海教授、沈建磊教授和香港中文大学（深圳）唐本忠教授共同展示了一种配体工程方法，通过将金纳米团簇与四苯基乙烯分子转子连接，开发出原子精度的混合纳米机械。当用近红外光照射金纳米簇时，表面装饰的四苯基乙烯分子旋转会主动消散吸收的能量，从而维持光热纳米机器的完整结构和稳定效率。固态核磁共振和飞秒瞬态吸收光谱显示，光生热电子通过纳米机器中的电子-声子耦合在皮秒内迅速冷却。作者发现，纳米机械在哺乳动物细胞和体内的结构和功能都保持完好。单剂量的近红外照射可有效消融肿瘤，且不会使肿瘤小鼠复发，这为基于纳米机械的治疗学的发展带来了希望。相关成果以“Atomically precise photothermal nanomachines”为题发表在《Nature Materials》上，第一作者为陈静，Peilin Gu, Guangliu Ran, Yu Zhang为共同一作。

PTG纳米机器的设计、合成和表征

为了设计原子精度的纳米机器，作者开发了一种配体工程方法，将分子转子（炔基 TPE）连接到金纳米棒表面（图 1a）。TPE 的外围芳香基团和双键可进行无阻碍的分子内旋转、振动和 (E)-(Z) 光异构化，通过搅拌周围的溶剂将激发的能量转移为热量。与其他类型的分子转子相比，TPE 中苯基环在室温下的无障碍翻转速度有利于纳米团簇周围的热扩散。此外，为避免 TPE 在金表面过度拥挤，作者采用三苯基膦 (TPP) 作为稀释配体，以生成混合单层（图 1a）。

PTG 纳米机械是在室温下用 NaBH₄ 在二氯甲烷中还原金属前驱体 AuPPh₃BF₄ 和 (TPEC≡CAu)_n 而制备的。纳米机器的电喷雾飞行时间质谱证实了分子精确的纳米机器的形成。图 1c 是板状单晶的图片，其中纳米机器被填入三菱晶格中。单晶 X 射线衍射结果显示了纳米机械中金原子和配体的排列（图 1b），证实了这种超微结构的原子精度。

图1：具有持续光热转换的原子级精密PTG纳米机器的设计和表征

在确定了纳米机械的原子结构后，作者研究了配体单层内的界面相互作用。C≡C与表面金原子之间具有 π 相互作用的线性 TPEC≡C-Au-C≡CTPE 模式在能量上更受青睐（图 2a）。四个 TPEC≡C-Au-C≡CTPE在金表面呈现手性排列模式。如图 2a所示，四个图案位于三层（绿色、蓝色和红色）。图案的顺时针和逆时针旋转排列以及扭曲的金核心诱导了两种对映体的手性。TPE 和 TPP 在表面上交替排列，形成双配体混合单层（图 2b）。实验观察到，TPE 和 TPP 的相邻苯基环之间同时存在 π-π、C-H-π 和 H-H 相互作用（图 2b）。值得注意的是，在每个苯基环层中，苯基环是偏移的，以避免 π 电子之间的排斥。从内层到外层，苯环的自由体积也在增加。

图2：原子级精密纳米机器配体单层界面相互作用的结构分析

作者进一步利用固态核磁共振（NMR）和变温 1H NMR 研究了金表面 TPE 的旋转能力。TPE 分子的 ¹H-¹³C 信号通过 ¹³C 交叉偏振 (CP) 魔角旋转 (MAS) NMR 光谱进行了鉴定（图 3a）。单一炔基 TPE 与纳米机械的弛豫时间比较见图 3b。由于分子内运动受到抑制，单炔基 TPE 在固态中强烈发光，其固态弛豫时间长达约 749 秒（图 3b），表明其分子内运动受到抑制。相反，纳米机械的 TPE 分子的弛豫时间短至 6.83 秒，表明分子内运动大大加强。

接下来，作者将 PTG 纳米机械与单配体层保护的 Au₂₀ 对应物 Au₂₀(PP₃)₄Cl₄进行了比较，评估了 PTG 纳米机械的热稳定性。经过 20 次近红外辐照后，PTG 纳米机械的光热转换效率仅衰减了约 1.6%（图 3e），而 Au₂₀(PP₃)₄Cl₄ 的光热转换效率衰减了 40 多倍（约 67.7%）。对两种上层结构的图相（图 3d）、紫外-可见吸收光谱和质谱分析表明，PTG 纳米机械在 20 个周期的辐照后保持了完整的结构，而对照 Au₂₀(PP₃)₄Cl₄ 在 10 个周期后发生了破坏（图 3f、g）。

图3：PTG纳米机器在近红外辐照下的旋转能力及其结构完整性

PTG 纳米机械在多金属基质和细胞中的运行

作者接下来评估了PTG纳米机械在不同环境中的性能，包括高极性溶剂、聚合物基质和细胞环境。作者将 PTG 纳米机械封装在水溶性 NPs 中（图 4a）。扫描电子显微镜（SEM）和高倍透射电子显微镜（TEM）图像证实 PTG NPs 呈球形，纳米机器以黑点形式均匀分布在 NPs 中（图 4b）。能量色散光谱图分析进一步证实，金和磷元素均匀地分布在 NPs 中（图 4c）。NPs 的平均流体力学半径约为 60 nm，由于其渗透性和滞留效应的增强，有可能促进肿瘤的吸收。PTG NPs 在冻干生理盐水中的固态核磁共振显示，纳米机器的 TPE 分子在聚合物基质中的弛豫时间约为 7.0 秒（图 4d），与游离 PTG 纳米机器的弛豫时间（6.8 秒）相似。

然后评估了 PTG NPs 在多金属基质中的光热稳定性。经过五个周期的开/关近红外激光照射后（图 4e），PTG NPs 和对照组的温度分别升高了 28.5 ℃ 和 16.0 ℃，这是光热材料的特征。值得注意的是，在五个周期的激光照射过程中，PTG 纳米粒子的光热转换率几乎保持不变，而 Au20(PP3)4Cl4 纳米粒子的光热转换率则逐渐下降。

为了探索 PTG 纳米机械的光热剂的潜在用途，作者将 PTG NPs 和对照 Au20(PP3)4Cl4 NPs 与人类乳腺癌细胞培养后，进一步评估了其在哺乳动物细胞内的光稳定性。作者发现，在 808 nm 激光照射下，PTG NPs 可在 10 分钟内导致细胞温度升高达 55.8 ℃，比 对照组高 6.7 ℃（图 4f、g）。与细胞或聚合物基质内的对照 Au NCs 相比，PTG 纳米机械的稳定性大大提高。

图4：PTG纳米机在不同工况下的运行情况

PTG 纳米机器的体内运行和 PTT

为了探索 PTG 纳米机器在体内的应用，作者接下来评估了 PTG NPs 在小鼠体内的光热转换效率。向正位MCF-7肿瘤小鼠静脉注射浓度为5 mg kg^-1的PTG NPs一小时后，将肿瘤暴露在808 nm连续激光下，迅速加热至50.8 °C（图5a-c）。作为对照，在相同的照射条件下，静脉注射 Au20(PP3)4Cl4 NPs和  磷酸盐缓冲盐水（PBS）后的肿瘤温度略有升高，但不足以进行肿瘤消融（图 5b、c）。

研究还考察了 PTG NPs 在正位 MCF-7 肿瘤小鼠体内的生物分布情况。PTG NPs 在血液中的药代动力学特征遵循典型的两室模型（图 5d）。经过半衰期仅为 0.36 ± 0.09 h 的第一阶段后，PTG NPs 在循环血液中呈现出较长的第二阶段，半衰期为 6.08 ± 0.25 h。肿瘤的荧光成像显示，在注射后 0.5 h，可以从肿瘤中观察到相当多的荧光，并且可以清晰地将肿瘤与周围组织区分开来（图 5e）。通过与肝脏的荧光信号比较， PTG NPs 在注射后 1 h 达到最大的肿瘤蓄积量（图 5g-i）。此外，PTG NPs 在注射后 12 h 逐渐从肝脏和脾脏清除（图 5f）。

图5小鼠PTG NPs的光热转换效率、药代动力学特征和生物分布

由于 PTG 纳米机械具有显著的光热转换效率和光稳定性，作者对 PTG NPs 进行了癌症 PTT 试验（图 6a）。肿瘤生长曲线显示，使用 PTG NPs + 近红外激光治疗的肿瘤生长受到极大抑制，7 天后肿瘤完全消失（图 6b-d）。相比之下，仅接受激光照射和仅注射 PTG NP 的肿瘤的生长曲线与 1×PBS 治疗组相似。

接下来，作者比较了 PTG 纳米机械与典型的光热纳米试剂在肿瘤消融方面的性能。结果表明以 PTG NPs 为光热剂的近红外光能有效消融肿瘤（图 6g），PTG NPs 表面的分子转子大大提高了纳米机械的光稳定性，并促进了其在 PTT 期间的长期处理能力。

图6：基于PTG-NP的PTT治疗肿瘤的疗效

小结

在这项工作中，作者证明了通过将金纳米棒与螺旋形 TPE 分子转子连接，开发出了一种持续光热纳米机械。制备的超微结构并可结晶显示原子排列，这证实了这种有机无机混合纳米机械的原子精度。TPE 可以通过高效的激子-声子耦合将金核中产生的热量迅速消散到周围的溶剂中。TPP 稀释配体的使用有助于在金数控体上形成松散的配体层，从而确保 TPE 的自由旋转，以适应类似于风扇冷却器的工作机制。所制备的 PTG 纳米机械具有出色的光热可持续性，在至少 20 次近红外加热-冷却循环后，其结构变化和光热能力衰减极小。

基于纳米机械的水溶性 PTG NPs 表现出极高的光热转换能力（约 67.6%），其光稳定性优于常用的光热剂。更重要的是，PTG 在细胞和小鼠体内的结构和功能保持完好，而且具有内在的生物相容性，这为将 PTG 纳米机器用作光热剂铺平了道路。在对携带肿瘤的小鼠进行 PTT 试验时，即使只用单剂量激光照射，高度可加工的 PTG NPs 也能消融肿瘤而不会复发，这大大减轻了潜在的长期毒性。这一概念验证实验表明，这种持续纳米机械可广泛应用于纳米制造、散热、能量转换和 PTT 等领域。