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港中文張立/哈工大金東東:微納3D打印制備多功能模塊化微型機(jī)器人
港中文張立/哈工大金東東:微納3D打印制備多功能模塊化微型機(jī)器人
更新時(shí)間:2024-01-10
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微型機(jī)器人是一種尺度在毫米及以下,能夠?qū)⑼饨缒芰哭D(zhuǎn)化成主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的微小型器件?;谄涑叽缧 ⑦\(yùn)動(dòng)主動(dòng)、靈活度高的特點(diǎn),微型機(jī)器人能夠深入常規(guī)醫(yī)療手段難以觸及的狹小閉塞區(qū)域,有望作為一種新型的醫(yī)療工具,展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在已開(kāi)發(fā)的微型機(jī)器人中,
磁控微型機(jī)器人因其能量來(lái)源(即外加磁場(chǎng))易調(diào)制、對(duì)生物組織穿透性強(qiáng)且無(wú)危害
,在許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是細(xì)胞靶向遞送方面受到了廣泛關(guān)注。
研究者們通過(guò)微納制造或化學(xué)合成,再輔以表面蒸鍍磁性薄膜或內(nèi)部摻雜磁性顆粒,構(gòu)建了各式可響應(yīng)外部磁場(chǎng)的微型機(jī)器人。作為細(xì)胞的載具,微型機(jī)器人能夠主動(dòng)地將細(xì)胞精確遞送至目標(biāo)區(qū)域,從而解決傳統(tǒng)細(xì)胞遞送策略靶向性差、效率低的痛點(diǎn)。但是,這類微型機(jī)器人的細(xì)胞功能和磁控功能存在一個(gè)不容忽視的矛盾,即為了追求強(qiáng)磁控能力添加大量磁性材料,這樣使得微型機(jī)器人的細(xì)胞活性就會(huì)衰退,且嚴(yán)重影響細(xì)胞的黏附、釋放和分化行為,甚至還可能因在體內(nèi)滯留或降解而引起生物毒性。但若為了優(yōu)化細(xì)胞功能而降低磁性物質(zhì)含量,微型機(jī)器人就可能難以在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的生物環(huán)境內(nèi)進(jìn)行有效的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航。因此,
如何解決細(xì)胞功能和磁控功能的兼容性難題
,對(duì)細(xì)胞遞送微型機(jī)器人具有十分重要的研究意義。
近期,
香港中文大學(xué)的張立教授課題組和哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)的金東東副教授共同提出了一種微型機(jī)器人的多功能模塊化設(shè)計(jì)策略(圖1),解決了其驅(qū)動(dòng)性能和細(xì)胞活性無(wú)法兼容的難題,并成功用于膽管內(nèi)干細(xì)胞的靶向遞送
。該機(jī)器人由微納3D打印制備的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)(MA)模塊和細(xì)胞支架(CS)模塊組成,前者具有強(qiáng)磁性和pH響應(yīng)變化形狀的能力,后者細(xì)胞親和力好,能夠負(fù)載與釋放細(xì)胞。作者團(tuán)隊(duì)首先將MA模塊浸泡在酸性緩沖液中使其收縮,然后將MA模塊插入CS模塊并將緩沖液調(diào)制中性,之后MA模塊膨脹并與CS模塊機(jī)械互鎖,便成功構(gòu)建了模塊化機(jī)器人。通過(guò)采用前端介入遞送-后端磁控導(dǎo)航的多級(jí)遞送策略,作者團(tuán)隊(duì)成功將微型機(jī)器人快速遞送至目標(biāo)病灶,并在急性/慢性膽囊炎、膽道炎和膽管堵塞等疾病引發(fā)的局部較低pH值的作用下,使得MA模塊收縮,并與CS模塊拆卸分離。最后,CS模塊可在膽汁的作用下逐步降解釋放細(xì)胞治療病灶,而MA模塊則磁控驅(qū)動(dòng)至導(dǎo)管處被回收。
綜上,該方案有效解決了以往細(xì)胞遞送微型機(jī)器人面臨的問(wèn)題,同時(shí)兼顧了磁控功能和細(xì)胞功能,因此以
“Modularized microrobot with lock-and-detachable modules for targeted cell delivery in bile duct"
為題發(fā)表于
《Science Advances》
期刊(Sci. Adv. 2023, 9, eadj0883)。文章第一作者是香港中文大學(xué)博士生蘇琳和哈工大(深圳)金東東副教授,文章通訊作者是金東東副教授,香港中文大學(xué)張立教授和陳啟楓研究助理教授。
圖1. 3D微納打印模塊化微型機(jī)器人及其在干細(xì)胞靶向遞送的應(yīng)用
為了實(shí)現(xiàn)模塊化微型機(jī)器人的按需組裝與拆卸,MA和CS模塊的材料設(shè)計(jì)與制造技術(shù)至關(guān)重要。為此,作者團(tuán)隊(duì)分別合成了兩種水凝膠打印樹(shù)脂,
并采用
高精度面投影微立體光刻(PµSL)技術(shù)微納3D打印機(jī)(摩方精密nanoArch®S130,精度:2μm)制備了兩種模塊
(圖2)。MA模塊的打印樹(shù)脂主要由pH響應(yīng)型功能單體(甲基)丙烯酸(M)AAc,功能調(diào)試單體N-異丙基丙烯酰胺NIPAAm,和交聯(lián)劑乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMP6EOTA)組成。其光固化成型后在酸性環(huán)境收縮,堿性環(huán)境膨脹,而臨界轉(zhuǎn)變pH值可通過(guò)控制(M)AAc和NIPAAm的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外,樹(shù)脂中還添加了適量增稠劑聚乙烯吡咯烷酮以調(diào)節(jié)粘度,將適量平均尺寸5-10微米的磁性顆粒穩(wěn)定分散持續(xù)超過(guò)24h,使得磁性顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%,這為制備磁響應(yīng)能力強(qiáng)的MA模塊提供了保障。CS模塊的打印樹(shù)脂則由可降解生物材料甲基丙烯酸酯化明膠(GelMA)和用于調(diào)節(jié)機(jī)械強(qiáng)度的丙烯酰胺(AAm)組成,其光固化成型后生物相容性好,細(xì)胞親和力強(qiáng),可有效負(fù)載大量細(xì)胞,并且能夠在膽汁中存在的消化酶的作用下逐步降解,從而釋放細(xì)胞。
MA模塊和CS模塊均可通過(guò)使用摩方精密的微納3D打印技術(shù)制備
,該技術(shù)不但加工精度高(在摻雜磁性顆粒的條件下分辨率仍達(dá)20微米以上),加工效率也令人滿意(圖3和圖4)。通過(guò)精巧地設(shè)計(jì)MA和CS模塊的相對(duì)尺寸,并進(jìn)一步調(diào)控環(huán)境pH值和施加外界磁場(chǎng),兩種模塊可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)械互鎖(圖5),也可以在粘性流動(dòng)的環(huán)境中完成按需的快速拆卸,這為模塊化微型機(jī)器人靶向遞送細(xì)胞奠定了基礎(chǔ)。
圖2. 微型機(jī)器人微納3D打印和各個(gè)模塊的高精度打印效果
圖3. MA模塊的強(qiáng)磁性和環(huán)境響應(yīng)能力,與CS模塊的細(xì)胞復(fù)雜和釋放能力
圖4. 多個(gè)模塊化微型機(jī)器人的批量化組裝示意圖
之后作者團(tuán)隊(duì)在膽管模型中展示了
模塊化
微型機(jī)器人介入遞送-磁控導(dǎo)航-按需拆卸-釋放CS模塊-回收MA模塊
的全部流程,顯示了模塊化微型機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)高效、安全的靶向細(xì)胞遞送。最后,作者團(tuán)隊(duì)在離體豬膽管和活體新西蘭白兔體內(nèi)進(jìn)一步驗(yàn)證了靶向遞送的可行性,且全程可由X射線和超聲成像實(shí)時(shí)觀測(cè)(圖5)。綜上,這項(xiàng)工作有力地促進(jìn)了生物醫(yī)用多功能微型機(jī)器人的發(fā)展,為其今后走向?qū)嶋H應(yīng)用提供重要參考。
圖5. 模塊化微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與成像裝置,及其在活體兔子體內(nèi)的遞送與回收
上一條
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下一條
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