很多科幻電影裡都有將微型機器人植入人體,對人體進行控制或者改造的情節。如今,這種在科幻電影裡才能出現的場景已經不是天方夜譚!2021年10月,《ACS NANO》最新刊登了來自合肥微尺度物質科學國家研究中心的最新研究成果:Environmentally AdaptiveShape-MorphingMicrorobots for Localized Cancer CellTreatment。在這一研究中,研究者們利用pH響應水凝膠設計和製作了一種微型結構。這種微型結構被設計成可愛的魚和螃蟹的形狀,通過改變環境的pH可以控制魚鰭的收縮和蟹鉗的閉合,本質上就是pH調控的水凝膠膨脹程度的變化。另一方面,通過在水凝膠微型結構修飾磁性材料使其具有了磁感應性能,可以利用磁場來驅動水凝膠微型結構的位置變化。
具體來說,研究者們首先通過一步法4D列印技術製備水凝膠微型魚結構,在pH小於9時,水凝膠膨脹程度減小,使魚鰭收縮,在微觀結構上表現為水凝膠空隙由500nm減小為200nm。類似的,水凝膠微型螃蟹結構被設計成了蟹鉗的收縮現象。
之後,為了使這種微型結構具備磁感應能力,研究者們利用SiO2包被的Fe3O4納米顆粒修飾了水凝膠微型結構。通過控制pH,這種水凝膠微型螃蟹結構的蟹鉗可以由2微米張開到14微米。在pH大於9時,貨物進入張開的蟹鉗中;調節pH小於9,蟹鉗夾住(裝載)貨物,在磁場中移動到目的位置後,調節pH張開蟹鉗釋放貨物,就完成了整個過程。
為了在生理環境中應用,研究者們設計了以pH7.4為臨界值的水凝膠微型小魚。微型小魚(嘴)裝載阿黴素(DOX)後加入PBS,水凝膠發生膨脹封裝DOX,運動到目的位置後,調節pH小於7.4,水凝膠收縮張開封口釋放DOX,殺死HeLa細胞(一種癌細胞)。這種微型小魚的運動軌跡由外加磁場控制。與對照相比,裝載DOX並且順利釋放DOX的微型小魚附近的Hela細胞明顯被殺死(死細胞染色呈紅色)。
此外,研究者們還在人造血管的環境中驗證了水凝膠微型小魚的功能。使用光刻和PDMS模塑製作人造血管,並用磁驅微型小魚對局部的HeLa細胞進行處理。與對照相比,微型小魚局部的DOX濃度隨時間越來越高,對Hela細胞的殺傷也越來越明顯。
總結:隨環境變形的磁驅水凝膠微納米結構(納米機器人)實現了微觀上局部藥物(DOX)包封和可控釋放。不僅如此,它們還可以改造用以操作或者保護各種分子,比如容易被破壞的藥物分子和多肽藥物等。因此,微納米機器人技術在腫瘤治療、幹細胞移植、活體生物傳感等方面有著巨大的研究潛力。
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參考資料:
[1]https://doi.org/10.1021/acsnano.1c06651
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