基于小球藻细胞的磁性复合多聚体微机器人用于高效靶向给药

摩方精密

2022/04/13 09:27

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微纳机器人在低雷诺数流体中可将能量转化为有效运动，因此在生物医学领域具有巨大的应用前景。近年来，磁性微纳机器人作为一种有发展前景的靶向给药平台而受到了特别的关注。科研工作者设计了不同的磁性微纳机器人用于高效递送抗癌药物至靶向肿瘤部位并取得了较好的效果。研究发现，作为体内给药的平台或载体，一方面，微纳机器人的生物相容性是至关重要；另一方面，微纳机器人的重构对于其在复杂变化环境中高度灵活地完成给药具有重要意义。然而，目前来说，微纳机器人的研究在同时满足这两方面的要求上仍具有一定的挑战性。

天然生物模板具有良好的生物相容性和精致结构的固有优势，有望为磁性微纳机器人的制备提供新的机遇。小球藻是一种具有良好的生物相容性和生物降解性的单细胞微藻。它们具有均匀的球状结构，直径约为3-5μm。这些特性使它们具有作为理想天然生物材料用于生物医学领域的优越性。然而，由于扇贝定理的限制，在低雷诺数流体中采用动态磁场有效地驱动具有简单对称球体形状的单一微球是不可行的，这限制了微藻细胞在微机器人领域的应用潜力。

近日，北京航空航天大学蔡军课题组制备了一种基于小球藻细胞的磁性复合多聚体微机器人，实现了高效的靶向给药。研究者将小球藻(Chlorella，Ch.)细胞作为一种生物模板，依次进行Fe3O4沉积、抗癌药物阿霉素(DOX)装载，实现磁性复合微机器人单元的制备。利用磁偶极作用，微机器人单元通过诱导自组装作用重构成链状的复合多聚体微机器人(BMMs)，如微小的二聚体、三聚体等。基于面投影微立体光刻(PμSL)技术设计了哑铃形的微流控通道，用于进行BMMs的体外靶向给药试验(图1)。

图1，BMMs的制备和靶向给药示意图。

图2，自组装BMMs的驱动性能。

图3，BMMs的生物相容性和化疗性能。

图4，BMMs的体外靶向给药试验。

BMMs具有两种不同的运动模式，包括动态磁场下的旋转和垂直旋转磁场下的翻滚；运动速度的测量以及精确定位的实现表明BMMs具有优异的驱动能力(图2)。BMMs还表现出良好的生物相容性、高效的DOX装载能力、pH触发释药能力以及显著的化疗效果(图3)。另外，采用PμSL(nanoArch S140, 摩方精密)技术结合PDMS倒模技术制备了哑铃形微流控通道，在该通道内，利用磁场驱动实现了BMMs对HeLa癌细胞的靶向给药。结果表明BMMs可以实现精准靶向给药，并对抗肿瘤治疗具有良好的疗效。此研究在靶向抗癌治疗方面具有巨大的应用潜力。该研究成果，以“Magnetic Biohybrid Microrobot Multimers Based on Chlorella Cells for Enhanced Targeted Drug Delivery”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。