ACS Nano | 深圳先進(jìn)院徐海峰團(tuán)隊(duì)開發(fā)用于輸卵管內(nèi)生物樣品轉(zhuǎn)運(yùn)的磁驅(qū)軟體機(jī)器人
北京時間3月12日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐海峰團(tuán)隊(duì)在納米領(lǐng)域頂級期刊ACS nano上發(fā)表題為“Soft Millirobot Capable of Switching Motion Modes on the Fly for Targeted Drug Delivery in the Oviduct”的文章。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了用于靶向遞藥的磁驅(qū)軟體機(jī)器人,該微型機(jī)器人能根據(jù)器官內(nèi)不同地形的機(jī)械特點(diǎn),使用與環(huán)境最安全的交互方式,進(jìn)行效率與生物安全兼顧的生物貨物轉(zhuǎn)運(yùn)和釋放。課題組劉源副研究員和研究生黃靜為共同第一作者,徐海峰副研究員為本文獨(dú)立通訊作者。本研究工作獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究計劃等項(xiàng)目支持。

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原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c09753
在輸卵管等小腔道內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞和藥物等物體的轉(zhuǎn)運(yùn)受到體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)。藥物輸送系統(tǒng)或手術(shù)器械必須克服目標(biāo)小腔道內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形貌,例如平坦區(qū)域、褶皺和狹窄通道。近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐海峰副研究員提出一種用于輸卵管內(nèi)進(jìn)行靶向藥物輸送的新手段,利用磁驅(qū)微型軟體機(jī)器人在行進(jìn)中進(jìn)行原位編程和運(yùn)動模態(tài)的切換,適應(yīng)輸卵管中復(fù)雜環(huán)境的變化,最終在穿過狹小空間后,進(jìn)行可控的藥物釋放。該微型機(jī)器人通過在高速剛性運(yùn)動和高適應(yīng)性軟驅(qū)動之間不斷切換其運(yùn)動模式,可以在具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜表面形貌的輸卵管中有效地導(dǎo)航。單個毫米機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多個運(yùn)動模態(tài),包括像仿土虱滾動和翻轉(zhuǎn)、仿精子旋轉(zhuǎn)和仿蛇滑行,分別用于通過不同的障礙物場景,包括平坦區(qū)域和高臺階、狹窄的通道和固液界面。滾動模態(tài)可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動,速度可達(dá)23mm/s。藥物釋放既可以通過溶解緩慢釋放,也可以通過激光在14秒快速釋放。目前的毫米軟體機(jī)器人所具有的自適應(yīng)多模式運(yùn)動和主動藥物釋放機(jī)制,為人體內(nèi)難以進(jìn)入的小腔道環(huán)境進(jìn)行有針對性的醫(yī)療診斷應(yīng)用帶來新的方向,且保證更少微組織損傷和藥物副作用。
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圖1 具有可切換運(yùn)動模式(仿土虱滾動和翻轉(zhuǎn)、仿蛇滑行和仿精子旋轉(zhuǎn))的磁驅(qū)微型軟體機(jī)器人,可跨越復(fù)雜障礙(例如平坦區(qū)域、皺紋和狹窄通道),在輸卵管中主動輸送藥物。
通過在離體豬輸卵管中控制微型軟體機(jī)器人執(zhí)行自適應(yīng)多模態(tài)運(yùn)動和藥物遞送,以證明微型機(jī)器人在真實(shí)小腔道中的適用性。離體輸卵管提供了真實(shí)的生理環(huán)境,具有各種類型的屏障,包括平坦區(qū)域、皺紋、粘液層和狹窄通道。在磁場下,微型機(jī)器人朝著目標(biāo)區(qū)域前進(jìn),在100秒內(nèi)運(yùn)動了55mm,在目標(biāo)區(qū)域快速釋放藥物,展示了其對輸卵管環(huán)境的適應(yīng)性。離體器官實(shí)驗(yàn)的成功驗(yàn)證了微型機(jī)器人對于這一特定應(yīng)用場景的適用性,驗(yàn)證了微型軟體機(jī)器人通過局部區(qū)域內(nèi)生物貨物釋放以治療女性上生殖道疾?。ɡ缒[瘤、粘連、感染和炎癥)的潛力。未來可對其結(jié)構(gòu)幾何形狀進(jìn)行改進(jìn),以提高其在各種醫(yī)療場景中的多功能性。這種體內(nèi)跨尺度的機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)無需穿刺或設(shè)備干預(yù),為體內(nèi)的藥物和細(xì)胞等生物樣本遞送提供了一種安全、高效的方式。

圖2 演示微型軟體機(jī)器人在豬輸卵管中的主動藥物輸送。 (A) 和激光誘導(dǎo)(熱響應(yīng))藥物釋放 (B)在離體豬輸卵管中進(jìn)行三次重復(fù),以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性多模態(tài)運(yùn)動和藥物遞送。
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