摩擦纳米发电机用于自驱动细胞内药物递送

将生物治疗性分子（药物、蛋白质、基因等）高效递送到目标细胞和组织中，具有重要的基础研究和治疗意义，但目前仍存在很大的难度和挑战。与药物载体相比，物理电穿孔法通过高强度电场在细胞膜表面产生瞬时孔使生物活性分子进入细胞，具有重复性好、可进入难转染细胞等优点。然而，电穿孔过程中的高电压及其产生的热量会导致细胞的不可逆损伤和死亡。而且，体内电穿孔存在病人依从性差、对细胞/组织损伤大等问题，仍然难以普及。

2012年中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士提出了基于摩擦起电及静电感应耦合的摩擦纳米发电机（TENG），可以将环境中包括人体运动的机械能转换为电能，已经在能源收集、蓝色能源、自驱动传感系统等方面显示出巨大的潜力。李琳琳课题组一直从事纳米材料/器件用于药物递送、肿瘤治疗等方面的工作，她们设想，如果能通过TENG将人体活动的机械能转化为电脉冲，驱动电穿孔药物递送，将有可能实现可穿戴、自驱动和按需给药的治疗新模式。

基于这一设想，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳（点击查看介绍）课题组、王中林院士（点击查看介绍）课题组，与中科院苏州纳米所李加东（点击查看介绍）课题组（共同通讯作者）合作，设计了将摩擦纳米发电机与硅纳米针阵列电极结合用于体内、外电穿孔药物递送的方法，实现了递送效率高、细胞损伤小的高效药物递送（图1）。在这一自驱动电穿孔系统中，生物机械能驱动的TENG作为稳定的电压脉冲源触发细胞膜电位和膜透性增加；硅纳米针阵列电极通过增强纳米针-细胞界面的局域电场，将电穿孔过程中的细胞损伤降到最小（图2）。该自驱动电穿孔系统将外源物质（小分子、蛋白、siRNA）有效地递送到不同类型的细胞中，包括难转染的原代细胞，其递送效率可达90%，细胞存活率超过94%。在动物组织药物递送中，通过手指摩擦或拍打可穿戴的TENG，在小鼠体内将透皮生物分子递送的深度提高了近4倍（图3）。这种自驱动的电穿孔给药系统在按需给药、个体化治疗、可穿戴医疗等方面具有广阔的应用前景。

图1. TENG驱动的电穿孔系统示意图

图2. 纳米针-细胞界面动力学表征

图3. 体内电穿孔药物递送

研究成果发表在Adv. Mater.上。中科院北京纳米能源所博士生刘志荣与聂锦辉是文章的并列第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-powered Intracellular Drug Delivery by a Biomechanical Energy-Driven Triboelectric Nanogenerator

Zhirong Liu, Jinhui Nie, Bin Miao, Jiadong Li, Yuanbo Cui, Shu Wang, Xiaodi Zhang, Gengrui Zhao Yongbo Deng, Yihui Wu, Zhou Li, Linlin Li, Zhong Lin Wang

Adv. Mater., 2019, 31, 1807795, DOI: 10.1002/adma.201807795

导师介绍

李琳琳

https://www.x-mol.com/university/faculty/23493

王中林

https://www.x-mol.com/university/faculty/48479

李加东

https://www.x-mol.com/university/faculty/63919