Janus 納米粒子作為一類具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)與多重功能的新型材料，其名稱源自羅馬神話中掌管開端與終結(jié)的雙面神 Janus，形象地詮釋了這類材料在同一顆粒內(nèi)集成截然相反物理化學(xué)性質(zhì)的獨(dú)特特征。自 20 世紀(jì) 90 年代 de Gennes 第一次提出 Janus 顆粒概念以來，該領(lǐng)域已發(fā)展成為材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境等多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)。近年來，隨著制備技術(shù)的革新與功能設(shè)計(jì)的深化，Janus 納米粒子在精準(zhǔn)醫(yī)療、智能器件、環(huán)境治理等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。本文系統(tǒng)綜述了 Janus 納米粒子的分類特征、先進(jìn)制備技術(shù)、獨(dú)特性能機(jī)制及其前沿應(yīng)用，重點(diǎn)分析了 2023-2025 年的最新研究進(jìn)展，并展望了該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向。
Janus 納米粒子的核心特征在于其結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成或功能特性的空間不對(duì)稱性，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其能夠突破傳統(tǒng)對(duì)稱納米材料的功能局限，實(shí)現(xiàn)多種矛盾性質(zhì)的協(xié)同集成。根據(jù)基礎(chǔ)材料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，目前主要可分為三大類：有機(jī) Janus 納米粒子、無機(jī) Janus 納米粒子以及有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合 Janus 納米粒子，各類材料在制備方法、性能特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景上各具優(yōu)勢(shì)。
有機(jī) Janus 納米粒子主要由聚合物構(gòu)成，通過不同聚合物鏈段的不對(duì)稱分布實(shí)現(xiàn)功能分區(qū)。這類粒子通常具有良好的生物相容性、可降解性和結(jié)構(gòu)可塑性，常見制備方法包括種子乳液聚合誘導(dǎo)相分離、自組裝法等。例如，通過調(diào)節(jié)種子顆粒粒徑和反應(yīng)物用量比例，可精確控制 Janus 顆粒的粒徑及兩相分區(qū)尺寸比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其表面浸潤(rùn)性、降解速率等性能的定制。有機(jī) Janus 納米粒子在藥物遞送、組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)，但其機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)有限。
無機(jī) Janus 納米粒子以金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體等無機(jī)材料為主體，典型代表包括金 (Au)、鉑 (Pt)、二氧化硅 (SiO?)、四氧化三鐵 (Fe?O?) 等構(gòu)成的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。上海大學(xué)李運(yùn)波課題組 2024 年的綜述指出，金基 Janus 納米材料因優(yōu)異的生物相容性、光學(xué)特性和等離子體效應(yīng)，在生物傳感、光熱治療等領(lǐng)域備受關(guān)注。無機(jī) Janus 粒子通常具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但制備過程往往需要復(fù)雜的表面改性以改善其分散性和生物相容性。
有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合 Janus 納米粒子結(jié)合了兩類材料的優(yōu)勢(shì)，通過有機(jī)相和無機(jī)相的不對(duì)稱復(fù)合實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)。例如，F(xiàn)e?O?@SiO?-Pt 復(fù)合 Janus 顆粒同時(shí)具備磁響應(yīng)性、催化活性和自驅(qū)動(dòng)能力，可作為智能催化體系應(yīng)用于復(fù)雜反應(yīng)過程。這類粒子的制備通常涉及多步改性與組裝過程，但其功能集成度高，在智能器件、環(huán)境修復(fù)等跨學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的價(jià)值。
Janus 納米粒子的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)賦予其區(qū)別于傳統(tǒng)對(duì)稱納米材料的獨(dú)特性能，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
界面選擇性：由于顆粒兩側(cè)具有不同的表面能和化學(xué)性質(zhì)，Janus 納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的界面識(shí)別與組裝能力。例如，兩親性 Janus 顆?？勺园l(fā)富集于油水界面，作為高效 Pickering 乳化劑穩(wěn)定乳液體系，同時(shí)可將催化活性位點(diǎn)精準(zhǔn)定位在界面處，顯著提高反應(yīng)效率。
定向響應(yīng)性：通過不對(duì)稱功能化設(shè)計(jì)，Janus 納米粒子可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一或多重外部刺激的定向響應(yīng)。目前研究較多的包括磁響應(yīng)性（引入 Fe、Ni 等磁性元素）、pH 響應(yīng)性（接枝酸堿敏感聚合物鏈）和光響應(yīng)性（負(fù)載 Au 或 Fe?O?納米簇、偶氮苯等光敏感基團(tuán)），這些響應(yīng)特性使其在靶向藥物遞送、智能分離等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
自驅(qū)動(dòng)能力：Janus 納米粒子的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性使其能夠打破體系的能量平衡，實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制可分為化學(xué)驅(qū)動(dòng)（如 Pt 催化 H?O?分解產(chǎn)生氣泡反沖力）和外部場(chǎng)驅(qū)動(dòng)（光、磁、超聲、電場(chǎng)等），這種自驅(qū)動(dòng)特性有助于其在生物體內(nèi)穿透生物屏障，或在環(huán)境介質(zhì)中主動(dòng)尋找目標(biāo)污染物。
Janus 納米粒子的制備技術(shù)已從早期的探索階段逐漸走向精準(zhǔn)可控，近年來在批量制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控和功能定制方面取得了一系列重要突破。傳統(tǒng)制備方法如遮蔽法、相分離法等已較為成熟，而微流控技術(shù)、界面保護(hù)法等新興策略為制備高性能 Janus 納米粒子提供了新途徑。不同制備方法在粒徑均一性、產(chǎn)量、成本和結(jié)構(gòu)可控性等方面各有優(yōu)劣，需根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的技術(shù)路線。
遮蔽法（又稱模板法）是制備 Janus 納米粒子的經(jīng)典策略之一，其核心思路是通過物理或化學(xué)手段遮蔽粒子的一部分表面，使暴露區(qū)域選擇性地進(jìn)行功能化改性。近年來，該方法在模板選擇和改性工藝上得到進(jìn)一步優(yōu)化。例如，采用固體模板表面反應(yīng)技術(shù)，將非 Janus 納米片吸附或組裝在固體表面后，對(duì)暴露部分進(jìn)行精準(zhǔn)修飾，可制備出具有特定功能分區(qū)的 Janus 納米片。上海大學(xué)課題組在金基 Janus 材料的制備中，通過改進(jìn)遮蔽工藝，實(shí)現(xiàn)了金屬表面與聚合物鏈段的精確對(duì)接，顯著提升了材料的穩(wěn)定性和功能協(xié)同性。
相分離法主要包括乳液聚合誘導(dǎo)相分離和自組裝相分離，適用于制備有機(jī)或有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合 Janus 納米粒子。清華大學(xué)先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2023 年的研究表明，通過聚合物種子乳液溶脹聚合制備兩分區(qū)結(jié)構(gòu) Janus 顆粒時(shí)，可通過調(diào)節(jié)種子顆粒粒徑和反應(yīng)物用量比例，實(shí)現(xiàn)對(duì) Janus 顆粒粒徑及兩相分區(qū)尺寸比例的精確調(diào)控。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可規(guī)?；苽?，但對(duì)反應(yīng)條件（如溫度、攪拌速率）較為敏感，需要精確控制以保證產(chǎn)物的均一性。
微乳液法通過構(gòu)建水包油或油包水型乳液體系，在微液滴內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形成。Lu 等采用共流微流控管裝置制備了含 Fe 核和鉑殼納米粒子的殼聚糖 Janus 膠囊，該粒子在 H?O?溶液中可通過 Pt 殼催化反應(yīng)生成氣體實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在外加磁場(chǎng)作用下可精確控制運(yùn)動(dòng)軌跡，展現(xiàn)出在靶向藥物遞送中的應(yīng)用潛力。微乳液法制備的粒子通常具有較好的分散性，但產(chǎn)量相對(duì)較低，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。
界面保護(hù)法是近年來發(fā)展起來的一種高效制備策略，特別適用于二維 Janus 納米材料的合成。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的石蠟界面保護(hù)法為該領(lǐng)域提供了創(chuàng)新思路：首先將石墨烯納米片在高溫下與石蠟 / 水乳化成水包油結(jié)構(gòu)，利用石蠟對(duì)石墨烯一側(cè)表面的保護(hù)作用，對(duì)暴露的外表面進(jìn)行功能性接枝，隨后通過良溶劑洗脫石蠟，再對(duì)另一側(cè)表面進(jìn)行改性。這種方法成功制備出一側(cè)接枝聚 (3,4 - 乙烯二氧噻吩) 的 Janus 石墨烯納米片，可作為活性電極應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以汗液為電解質(zhì)的能量收集。該技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)大面積、高一致性的 Janus 結(jié)構(gòu)制備，且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于放大。
微流控技術(shù)為 Janus 納米粒子的精準(zhǔn)制備提供了革命性手段。通過微通道內(nèi)流體的精確操控，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的可控混合與反應(yīng)，制備出粒徑均一、結(jié)構(gòu)可控的 Janus 粒子。近年來，該技術(shù)在響應(yīng)性 Janus 顆粒的合成中得到廣泛應(yīng)用，例如通過調(diào)節(jié)微流控芯片的通道結(jié)構(gòu)和流體參數(shù)，可制備出具有磁 /pH/ 光多重響應(yīng)性的 Janus 納米粒子。微流控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)粒子結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，但設(shè)備成本較高，目前主要用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的精密制備。
選擇性刻蝕法為制備中空或多孔結(jié)構(gòu)的 Janus 納米粒子提供了新途徑。Zhu 等通過連續(xù)沉積并選擇性刻蝕鉑族金屬（Ru、Rh、Pd、Ir 和 Pt），開發(fā)出具有多孔、超薄非對(duì)稱壁結(jié)構(gòu)的 Janus 納米籠。通過改變金屬顆粒前驅(qū)體的沉積順序，可精確控制 Janus 納米籠中各金屬層的相對(duì)位置，顯著提升其電催化活性。這類結(jié)構(gòu)在燃料電池、電解水等能源領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，但制備過程復(fù)雜，對(duì)刻蝕條件的控制要求高。
Janus 納米粒子的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)對(duì)稱納米材料的優(yōu)異性能，近年來其應(yīng)用研究已從傳統(tǒng)的催化、藥物遞送等領(lǐng)域，拓展到可穿戴電子、環(huán)境治理、精準(zhǔn)醫(yī)療等前沿方向。通過對(duì)結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系的深入理解和功能設(shè)計(jì)，Janus 納米粒子在解決復(fù)雜實(shí)際問題中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了多學(xué)科交叉領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。
Janus 納米粒子因具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)各向異性和功能協(xié)同性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域呈現(xiàn)出多元化的應(yīng)用前景。根據(jù) 2025 年《中國(guó)組織工程研究》的最新綜述，其應(yīng)用主要集中在藥物遞送、癌癥治療、生物成像和組織工程四個(gè)方向，并展現(xiàn)出從基礎(chǔ)研究向臨床轉(zhuǎn)化的良好勢(shì)頭。
藥物遞送系統(tǒng)是 Janus 納米粒子研究最為廣泛的領(lǐng)域之一。其不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)藥物負(fù)載與靶向識(shí)別的功能分離：一側(cè)負(fù)載藥物分子（如化療藥物、蛋白藥物等），另一側(cè)修飾靶向配體（如抗體、肽鏈）或響應(yīng)性基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)遞送與可控釋放。相較于傳統(tǒng)納米載體，Janus 納米粒子具有三大優(yōu)勢(shì)：高負(fù)載率（不對(duì)稱結(jié)構(gòu)提供了更多活性位點(diǎn)）、門控釋放（通過外部刺激精確控制藥物釋放時(shí)機(jī)）和自主運(yùn)動(dòng)能力（自驅(qū)動(dòng)特性有助于穿透生物屏障）。例如，磁響應(yīng)性 Janus 膠囊粒子可在磁場(chǎng)引導(dǎo)下定向運(yùn)動(dòng)至病灶部位，通過 pH 或溫度刺激觸發(fā)藥物釋放，顯著提高治療效果并降低毒副作用。
在癌癥治療領(lǐng)域，Janus 納米粒子不僅可增強(qiáng)傳統(tǒng)放化療的療效，還為新興治療策略提供了新載體。研究表明，Janus 納米粒子可通過以下途徑協(xié)同增強(qiáng)癌癥治療：作為光熱轉(zhuǎn)換劑，其金屬表面可將近紅外光轉(zhuǎn)化為熱能實(shí)現(xiàn)光熱治療（PTT）；負(fù)載光敏劑時(shí)可用于光動(dòng)力治療（PDT）；更重要的是，近年來研究發(fā)現(xiàn) Janus 納米粒子可調(diào)控細(xì)胞鐵死亡過程，為癌癥治療提供了新思路。例如，F(xiàn)e?O?@SiO?-Ag/Pt Janus 顆粒不僅具有催化活性，還可通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境中的鐵離子濃度，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，實(shí)現(xiàn)多重治療機(jī)制的協(xié)同。
生物成像領(lǐng)域，Janus 納米粒子作為增敏劑可顯著提升成像質(zhì)量。其不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可同時(shí)集成成像造影劑和靶向識(shí)別單元，例如將金納米顆粒與磁性材料復(fù)合形成 Janus 結(jié)構(gòu)，可同時(shí)增強(qiáng) CT 和 MRI 成像效果，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像。此外，Janus 納米粒子的自驅(qū)動(dòng)特性有助于其在生物組織中的深度滲透，提高成像的空間分辨率和組織覆蓋率，為疾病早期診斷提供有力工具。
在組織工程中，Janus 納米粒子主要通過兩種方式發(fā)揮作用：一是作為生物支架的增強(qiáng)相，通過不對(duì)稱結(jié)構(gòu)調(diào)控細(xì)胞黏附與增殖；二是作為生長(zhǎng)因子的載體，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞因子的持續(xù)釋放。研究表明，表面改性的 Janus 顆?？娠@著增強(qiáng)支架材料的機(jī)械性能和生物相容性，同時(shí)其多孔結(jié)構(gòu)可為細(xì)胞生長(zhǎng)提供適宜微環(huán)境。不過目前該領(lǐng)域研究仍處于早期階段，關(guān)于 Janus 納米粒子對(duì)細(xì)胞分化和組織再生的長(zhǎng)期影響還需進(jìn)一步研究。
Janus 納米粒子在智能器件領(lǐng)域的應(yīng)用近年來取得了突破性進(jìn)展，特別是在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大商業(yè)潛力。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的 Janus 石墨烯基織物涂層為該領(lǐng)域的典型代表：通過石蠟界面保護(hù)法制備的 Janus 石墨烯納米片，一側(cè)接枝功能性高分子鏈與織物基底牢固結(jié)合，另一側(cè)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這種涂層具有超疏水、阻燃和導(dǎo)電三重功能，以汗液為電解質(zhì)可作為活性電極使用，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)能量的收集與傳感功能的集成。該研究的創(chuàng)新之處在于利用 Janus 粒子的自取向特性，在織物表面形成單層有序結(jié)構(gòu)，既保證了高透氣性，又實(shí)現(xiàn)了多功能協(xié)同。
在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域，Janus 納米粒子主要用于提升催化效率和電極性能。其不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)催化活性位點(diǎn)的精準(zhǔn)定位和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，顯著提升電催化反應(yīng)效率。例如，Pt-Ir Janus 立方體納米籠通過調(diào)控金屬層的相對(duì)位置，增加了電化學(xué)反應(yīng)的活性位點(diǎn)，同時(shí)減緩了析氧反應(yīng)時(shí)的電子轉(zhuǎn)移速率，大幅提高了電催化活性，在燃料電池和電解水領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。此外，Janus 納米粒子作為電極材料的添加劑，可改善電極的導(dǎo)電性和離子擴(kuò)散速率，提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
Janus 納米粒子在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用雖處于起步階段，但已展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，主要集中在污染物吸附和高級(jí)氧化處理兩個(gè)方向。pH 響應(yīng)性 Janus 顆粒通過接枝酸堿敏感聚合物鏈，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定污染物的選擇性吸附。例如，Janus-Fe-p 顆粒對(duì)藥品和個(gè)人護(hù)理品中產(chǎn)生的污染物具有優(yōu)異的吸附性能，且可通過調(diào)節(jié) pH 值實(shí)現(xiàn)材料的再生與循環(huán)利用。
在催化降解方面，Janus 納米粒子的界面選擇性和自驅(qū)動(dòng)特性使其成為理想的催化劑載體。兩親性 Fe?O?@SiO?-Ag
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更新時(shí)間：2025-09-27
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