本研究由Jing Wang、Guangjin Yu、Qunling Fang、Yunqi Xu、Jie Zhang、Ailing Hui、Shouhu Xuan和Ken Cham-Fai Leung等人合作完成，主要研究机构包括合肥工业大学食品与生物工程学院、安徽医科大学第一附属医院、中国科学技术大学近代力学系以及香港浸会大学化学系。该研究成果以原创研究论文形式发表于《Advanced Healthcare Materials》期刊，于2025年2月25日在线发表，论文DOI为10.1002/adhm.202404208。
本研究属于纳米材料与生物医学工程交叉领域，聚焦于化学污染、致病菌和细菌生物膜对公共健康的威胁。传统催化降解有机污染物通常存在利用率低、被动扩散、时空精度差和回收困难等问题；抗生素滥用导致多重耐药菌出现，而生物膜形成的天然屏障使传统抗菌药物更难渗透。已有多种兼具催化和抗菌功能的纳米平台被开发，但制备可远程操控、具有精准靶向和推进能力的纳米机器人仍具挑战。本研究旨在构建一种中空结构的Fe₃O₄@AgAu@聚多巴胺（PDA）磁性纳米机器人，通过旋转磁场驱动实现精准催化降解、磁增强抗菌及生物膜清除。
研究工作主要分为材料制备、性能表征、催化降解实验、抗菌实验和生物膜清除实验五个环节。在材料制备环节，研究者首先通过溶剂热法制备了平均粒径约275 nm的Fe₃O₄中空纳米球，随后在乙醇体系中依次引入AgNO₃、HAuCl₄和多巴胺盐酸盐，通过一步聚合法在Fe₃O₄核心表面随机组装AgAu双金属纳米棒并包覆PDA壳层，最终得到平均直径约325 nm、壳层厚度约25 nm的Fe₃O₄@AgAu@PDA中空纳米机器人。通过吸附法将光敏剂酞菁锌（ZnPc）负载到中空结构中，得到Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc。在性能表征环节，研究者利用SEM、TEM、EDX元素面扫、XRD、XPS、N₂吸附-脱附、SQUID-VSM磁滞回线、FTIR和TGA等手段对材料形貌、组成、孔结构、磁性能和热稳定性进行了系统分析。催化降解实验采用3D打印的六池模拟废水池，将4-硝基苯酚和亚甲基蓝分别置于不同池中，在旋转磁场驱动下使纳米机器人沿预定路径依次进入目标池催化降解污染物。抗菌实验以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型菌，设置不同浓度和不同处理条件（旋转磁场、近红外激光、氙灯照射及其耦合），通过平板菌落计数和SEM观察评估抗菌效果。生物膜清除实验分别在24孔板平面和U型管三维管腔中培养金黄色葡萄球菌生物膜，利用旋转磁场驱动纳米机器人进行物理刮除与光热-光动力-银离子协同清除，并通过结晶紫染色和稀释平板法进行定量分析。
在材料形貌与组成方面，TEM和SEM图像显示Fe₃O₄中空球表面光滑，包覆AgAu@PDA后表面出现刺状突起，壳层中包裹大量棒状纳米晶。EDX元素面扫证实Fe和O元素集中在内核且呈环状分布，表明核心具有中空结构；Au和Ag元素分布范围大于Fe和O，且二者高度重叠，表明AgAu双金属纳米晶包覆于Fe₃O₄表面；N元素信号来自PDA壳层，进一步证实PDA成功包覆。XRD图谱显示Fe₃O₄特征峰之外出现了38.2°、44.4°、64.8°和77.5°处的四个新峰，可归属为Ag或Au的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。XPS谱中新增Au 4f、Ag 3d和N 1s特征峰，证实AgAu纳米晶与PDA共同沉积于Fe₃O₄表面。BET分析表明Fe₃O₄和Fe₃O₄@AgAu@PDA均呈现典型IV型等温线和介孔分布，平均孔径分别为27.5 nm和25.4 nm，比表面积分别为29.9和25.5 m²/g，孔体积分别为0.18和0.12 cm³/g，说明PDA包覆使部分孔道堵塞或变窄，但保留了中空介孔结构。磁滞回线显示Fe₃O₄饱和磁化强度为70.2 emu/g，Fe₃O₄@AgAu@PDA为44.4 emu/g，非磁性壳层虽降低了磁化强度，但样品仍具备良好的磁分离和磁推进能力。FTIR中ZnPc在725、751和777 cm⁻¹处的酞菁骨架振动峰证明其成功负载，TGA表明Fe₃O₄、Fe₃O₄@AgAu@PDA和Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc在800 °C下的失重分别为11.8%、34.4%和45.2%，差异来自PDA和ZnPc的热分解。
光热性能测试中，Fe₃O₄@AgAu@PDA在808 nm近红外激光（2.0 W/cm²）照射5分钟后温度可升至64.7 °C，而纯Fe₃O₄仅升至47.3 °C，去离子水为24.1 °C。通过冷却时间与-ln(θ)线性拟合计算得到光热转换效率为54.45%。五次激光开关循环后光热效应变化很小，表明材料光热稳定性良好。催化降解实验中，Fe₃O₄@AgAu@PDA纳米机器人在模拟废水池中沿预定路径运动，在目标池中停留催化1分钟后即可使4-硝基苯酚和亚甲基蓝溶液几乎变为无色透明，吸光度显著下降。在选择性催化实验中，纳米催化剂先完成4-硝基苯酚降解，再进入含亚甲基蓝的池中继续有效催化，证明其具备精准定位和可控催化能力。抗菌实验显示，在无光照和磁场条件下，Fe₃O₄@AgAu@PDA和Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc对大肠杆菌增殖的抑制很弱；仅施加旋转磁场时抗菌效果也不明显；单独施加近红外激光可使80 μg/mL的Fe₃O₄@AgAu@PDA抗菌率达到92.58%；近红外激光与旋转磁场耦合后抗菌率提升至97.46%；对Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc同时施加氙灯、近红外激光和旋转磁场时，抗菌率达到99.99%。对金黄色葡萄球菌的实验中，80 μg/mL Fe₃O₄@AgAu@PDA在近红外/磁场耦合下即可达到99.99%抗菌率，而60 μg/mL的Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc在附加氙灯照射后也可达到同样效果，减少了材料用量并提高了生物安全性。SEM显示处理后细菌表面皱缩、塌陷，内容物流出，结构完全破坏。生物膜清除实验中，旋转磁场驱动的磁性纳米机器人在24孔板中沿圆形路径运动并刮除生物膜，溶液因胞外聚合物（EPS）混入而变浑浊，清洗后孔底透明。结晶紫染色显示旋转磁场+近红外+氙灯处理组的结晶紫含量远低于对照组，细菌存活率最低。在U型管模型中，纳米机器人从管口注入后在旋转磁场驱动下接近并破坏堵塞的生物膜，管内形成大量碎片，旋转磁场+氙灯处理组由于ZnPc在氙灯照射下产生单线态氧（¹O₂）而表现出最佳清除效率。
本研究的结论表明，Fe₃O₄@AgAu@PDA磁性纳米机器人集精准催化、高效抗菌和有效生物膜清除功能于一体。AgAu双金属纳米棒赋予材料优异的光热转换能力（54.45%）和高催化效率；旋转磁场驱动使纳米机器人能够沿预定路径运动并精准催化降解4-硝基苯酚和亚甲基蓝；负载ZnPc后形成的Fe₃O₄@AgAu@PDA-ZnPc表现出“光热-光动力-Ag⁺”耦合抗菌效应，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率可达99.99%，磁推进可进一步增强抗菌效果；该纳米机器人还能在磁场驱动下有效清除二维平面和三维管腔中的细菌生物膜。该研究的科学价值在于提供了一种磁性中空纳米机器人的设计策略，将双金属纳米晶催化和光热性能、PDA生物相容性及磁性推进能力整合于单一平台；应用价值在于其可控导航和易回收特性使其在污水处理、生物医学和抗菌治疗等领域具有广泛前景。研究的创新性体现在利用一步法制备中空夹层结构纳米机器人、通过旋转磁场实现精准时空催化、以及将物理磁推进与光热-光动力-离子释放多种抗菌机制耦合实现协同增效。此外，该材料良好的磁性能使其在反应体系完成后易于分离回收，为实际应用提供了便利。