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器人

更新時間：2024-01-10

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微型機器人是一種尺度在毫米及以下，能夠?qū)⑼饨缒芰哭D(zhuǎn)化成主動運動的微小型器件?；谄涑叽缧?、運動主動、靈活度高的特點，微型機器人能夠深入常規(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。在已開發(fā)的微型機器人中，磁控微型機器人因其能量來源（即外加磁場）易調(diào)制、對生物組織穿透性強且無危害，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)外部磁場的微型機器人。作為細(xì)胞的載具，微型機器人能夠主動地將細(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。但是，這類微型機器人的細(xì)胞功能和磁控功能存在一個不容忽視的矛盾，即為了追求強磁控能力添加大量磁性材料，這樣使得微型機器人的細(xì)胞活性就會衰退，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，微型機器人就可能難以在復(fù)雜動態(tài)的生物環(huán)境內(nèi)進行有效的驅(qū)動導(dǎo)航。因此，如何解決細(xì)胞功能和磁控功能的兼容性難題，對細(xì)胞遞送微型機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器人的多功能模塊化設(shè)計策略（圖1），解決了其驅(qū)動性能和細(xì)胞活性無法兼容的難題，并成功用于膽管內(nèi)干細(xì)胞的靶向遞送。該機器人由微納3D打印制備的磁場驅(qū)動(MA)模塊和細(xì)胞支架(CS)模塊組成，前者具有強磁性和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。作者團隊首先將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模塊機械互鎖，便成功構(gòu)建了模塊化機器人。通過采用前端介入遞送-后端磁控導(dǎo)航的多級遞送策略，作者團隊成功將微型機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)胞遞送微型機器人面臨的問題，同時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器人及其在干細(xì)胞靶向遞送的應(yīng)用

為了實現(xiàn)模塊化微型機器人的按需組裝與拆卸，MA和CS模塊的材料設(shè)計與制造技術(shù)至關(guān)重要。為此，作者團隊分別合成了兩種水凝膠打印樹脂，并采用高精度面投影微立體光刻（PµSL）技術(shù)微納3D打印機（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值可通過控制（M）AAc和NIPAAm的比例進行調(diào)節(jié)。此外，樹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24h，使得磁性顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達50%，這為制備磁響應(yīng)能力強的MA模塊提供了保障。CS模塊的打印樹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)機械強度的丙烯酰胺（AAm）組成，其光固化成型后生物相容性好，細(xì)胞親和力強，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20微米以上），加工效率也令人滿意（圖3和圖4）。通過精巧地設(shè)計MA和CS模塊的相對尺寸，并進一步調(diào)控環(huán)境pH值和施加外界磁場，兩種模塊可以實現(xiàn)穩(wěn)定的機械互鎖（圖5），也可以在粘性流動的環(huán)境中完成按需的快速拆卸，這為模塊化微型機器人靶向遞送細(xì)胞奠定了基礎(chǔ)。

圖2. 微型機器人微納3D打印和各個模塊的高精度打印效果

圖3. MA模塊的強磁性和環(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. 多個模塊化微型機器人的批量化組裝示意圖

之后作者團隊在膽管模型中展示了模塊化微型機器人介入遞送-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器人可實現(xiàn)高效、安全的靶向細(xì)胞遞送。最后，作者團隊在離體豬膽管和活體新西蘭白兔體內(nèi)進一步驗證了靶向遞送的可行性，且全程可由X射線和超聲成像實時觀測（圖5）。綜上，這項工作有力地促進了生物醫(yī)用多功能微型機器人的發(fā)展，為其今后走向?qū)嶋H應(yīng)用提供重要參考。

圖5. 模塊化微型機器人的驅(qū)動與成像裝置，及其在活體兔子體內(nèi)的遞送與回收

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