Micro- and nanoscale robots that can effectively convert diverse energy sources into movement and force represent a rapidly emerging and fascinating robotics research area. Recent advances in the design, fabrication, and operation of micro/nanorobots have greatly enhanced their power, function, and versatility. The new capabilities of these tiny untethered machines indicate immense potential for a variety of biomedical applications. This article reviews recent progress and future perspectives of micro/nanorobots in biomedicine, with a special focus on their potential advantages and applications for directed drug delivery, precision surgery, medical diagnosis and detoxification. Future success of this technology, to be realized through close collaboration between robotics, medical and nanotechnology experts, should have a major impact on disease diagnosis, treatment, and prevention.

Abstract Advances in bioinspired design principles and nanomaterials have led to tremendous progress in autonomously moving synthetic nano/micromotors with diverse functionalities in different environments. However, a significant gap remains in moving nano/micromotors from test tubes to living organisms for treating diseases with high efficacy. Here we present the first, to our knowledge, in vivo therapeutic micromotors application for active drug delivery to treat gastric bacterial infection in a mouse model using clarithromycin as a model antibiotic and Helicobacter pylori infection as a model disease. The propulsion of drug-loaded magnesium micromotors in gastric media enables effective antibiotic delivery, leading to significant bacteria burden reduction in the mouse stomach compared with passive drug carriers, with no apparent toxicity. Moreover, while the drug-loaded micromotors reach similar therapeutic efficacy as the positive control of free drug plus proton pump inhibitor, the micromotors can function without proton pump inhibitors because of their built-in proton depletion function associated with their locomotion.

Drug-loaded urease-powered Janus cell robots enhance binding efficiency with biological targets and improve therapeutic efficacy.

A nanomotor-based strategy for rapid single-step intracellular biosensing of a target miRNA, expressed in intact cancer cells, at the single cell level is described. The new concept relies on the use of ultrasound (US) propelled dye-labeled single-stranded DNA (ssDNA)/graphene-oxide (GO) coated gold nanowires (AuNWs) capable of penetrating intact cancer cells. Once the nanomotor is internalized into the cell, the quenched fluorescence signal (produced by the π–π interaction between GO and a dye-labeled ssDNA) is recovered due to the displacement of the dye-ssDNA probe from the motor GO-quenching surface upon binding with the target miRNA-21, leading to an attractive intracellular “OFF-ON” fluorescence switching. The faster internalization process of the US-powered nanomotors and their rapid movement into the cells increase the likelihood of probe–target contacts, leading to a highly efficient and rapid hybridization. The ability of the nanomotor-based method to screen cancer cells based on the endogenous content of the target miRNA has been demonstrated by measuring the fluorescence signal in two types of cancer cells (MCF-7 and HeLa) with significantly different miRNA-21 expression levels. This single-step, motor-based miRNAs sensing approach enables rapid “on the move” specific detection of the target miRNA-21, even in single cells with an extremely low endogenous miRNA-21 content, allowing precise and real-time monitoring of intracellular miRNA expression.

An effective intracellular gene silencing strategy based on acoustically propelled nanowires modified with an interfering RNA's (siRNA) payload is described. The gold nanowires (AuNW) are wrapped with a Rolling Circle Amplification (RCA) DNA strand, which serves to anchor the siRNA therapy. The ultrasound (US)-powered propulsion of the AuNW leads to fast internalization and rapid intracellular movement and hence to an accelerated siRNA delivery and silencing response. To optimize the micromotor gene silencing procedure, the influence of motion, time, and siRNA dosage was investigated, leading up to a 94% silencing after few minutes treatment with US-propelled siRNA–AuNWs, and to a dramatic (∼13-fold) improvement in the silencing response compared to the static modified nanowires. The ability of the nanomotor-based method for gene silencing has been demonstrated by measuring the GFP silencing response in two different cell lines (HEK-293 and MCF-7) and using detailed control experiments. The viability of the cells after the nanomotors treatment was examined using the MCF-7 cancer cell line. The use of DNA structures carried by the US-propelled nanomotors for gene silencing represents an efficient tool that addresses the challenges associated with RNA transportation and intracellular delivery. Future implementation of nanomachines in gene therapy applications can be expanded into a co-delivery platform for therapeutics.

The gastrointestinal (GI) tract, which hosts hundreds of bacteria species, becomes the most exciting organ for the emerging microbiome research. Some of these GI microbes are hostile and cause a variety of diseases. These bacteria colonize in different segments of the GI tract dependent on the local physicochemical and biological factors. Therefore, selectively locating therapeutic or imaging agents to specific GI segments is of significant importance for studying gut microbiome and treating various GI-related diseases. Herein, we demonstrate an enteric micromotor system capable of precise positioning and controllable retention in desired segments of the GI tract. These motors, consisting of magnesium-based tubular micromotors coated with an enteric polymer layer, act as a robust nanobiotechnology tool for site-specific GI delivery. The micromotors can deliver payload to a particular location via dissolution of their enteric coating to activate their propulsion at the target site toward localized tissue penetration and retention.

Nanorobots with red blood cell–platelet hybrid membranes accelerated targeting and detoxification of biological threats.

Abstract Direct and rapid intracellular delivery of a functional Cas9/sgRNA complex using ultrasound‐powered nanomotors is reported. The Cas9/sgRNA complex is loaded onto the nanomotor surface through a reversible disulfide linkage. A 5 min ultrasound treatment enables the Cas9/sgRNA‐loaded nanomotors to directly penetrate through the plasma membrane of GFP‐expressing B16F10 cells. The Cas9/sgRNA is released inside the cells to achieve highly effective GFP gene knockout. The acoustic Cas9/sgRNA‐loaded nanomotors display more than 80 % GFP knockout within 2 h of cell incubation compared to 30 % knockout using static nanowires. More impressively, the nanomotors enable highly efficient knockout with just 0.6 n m of the Cas9/sgRNA complex. This nanomotor‐based intracellular delivery method thus offers an attractive route to overcome physiological barriers for intracellular delivery of functional proteins and RNAs, thus indicating considerable promise for highly efficient therapeutic applications.

Abstract The highly acidic gastric environment creates a physiological barrier for using therapeutic drugs in the stomach. While proton pump inhibitors have been widely used for blocking acid‐producing enzymes, this approach can cause various adverse effects. Reported herein is a new microdevice, consisting of magnesium‐based micromotors which can autonomously and temporally neutralize gastric acid through efficient chemical propulsion in the gastric fluid by rapidly depleting the localized protons. Coating these micromotors with a cargo‐containing pH‐responsive polymer layer leads to autonomous release of the encapsulated payload upon gastric‐acid neutralization by the motors. Testing in a mouse model demonstrate that these motors can safely and rapidly neutralize gastric acid and simultaneously release payload without causing noticeable acute toxicity or affecting the stomach function, and the normal stomach pH is restored within 24 h post motor administration.

This perspective reviews mobile micro/nanomotor scaffolds for performing "chemistry-on-the-fly". Synthetic nano/micromotors offer great versatility and distinct advantages in diverse chemical applications owing to their efficient propulsion and facile surface functionalization that allow these mobile platforms to move and disperse reactive materials across the solution. Such dynamic microreactors have led to accelerated chemical processes, including organic pollutant degradation, metal chelation, biorecognition, redox chemistry, chemical "writing", and a variety of other chemical transformations. Representative examples of such micromotor-enhanced chemical reactions are discussed, focusing on the specific chemical role of these mobile microreactors. The advantages, gaps and limitations of using micromotors as mobile chemical platforms are discussed, concluding with the future prospects of this emerging field. We envision that artificial nano/micromotors will become attractive dynamic tools for speeding up and enhancing "on-the-fly" chemical reactions.