基于漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人一步成型

微游動(dòng)機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，特別是在精準(zhǔn)藥物遞送和微創(chuàng)手術(shù)中。然而，傳統(tǒng)的微游動(dòng)機(jī)器人存在制造工藝復(fù)雜、材料要求高以及環(huán)境適應(yīng)性差等問題。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，香港科技大學(xué)申亞京教授的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)（VTAM），可實(shí)現(xiàn)類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人一步成型，配合外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為藥物遞送提供了新的載體。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將微游動(dòng)器導(dǎo)入生物體模擬環(huán)境，并在特定位置釋放藥物，展示了這種新型微游動(dòng)機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景。

香港科技大學(xué)申教授表示：“我們?cè)缜暗难芯堪l(fā)現(xiàn)，鰩魚精子具有特殊的雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)，能夠在不同粘度的液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)[PANS, 118, e2024329118 (2021)]（圖1）。但是，如何批量制造類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人并實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)和可控藥物釋放一直是個(gè)難題。在這項(xiàng)工作中，我們提出的漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)（VTAM），克服了傳統(tǒng)的微流控平臺(tái)對(duì)加工非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，為解決這一挑戰(zhàn)提供了思路?！?/p>

圖1 鰩魚精子的雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)

如圖2所示，漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)結(jié)合了一個(gè)傳統(tǒng)的十字形微流控芯片和一個(gè)通過旋轉(zhuǎn)磁力攪拌器形成的漩渦容器，該微流控芯片形成單分散的磁性藻酸鹽液滴并通過毛細(xì)管轉(zhuǎn)移到氯化鈣溶液漩渦容器。液滴在漩渦流的作用下爆裂（圖3），內(nèi)部的磁性藻酸鹽溶液暴露并沿著漩渦流的方向被抽出，形成類精子的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在抽出尾部之后，由于與氯化鈣溶液中的鈣離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，液滴在幾毫秒內(nèi)固化。

圖2 漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)及類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人形成機(jī)理展示

圖3 液滴破乳的動(dòng)態(tài)仿真模擬

該論文第一作者譚蓉提到：“漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)結(jié)合了一個(gè)傳統(tǒng)的十字形微流控芯片和一個(gè)通過旋轉(zhuǎn)磁力攪拌器形成的漩渦容器，通過該策略制備的微游動(dòng)器具有可生物降解的核殼頭部和柔性尾部，其形態(tài)可通過渦流轉(zhuǎn)速和溶液濃度調(diào)節(jié)（圖4）?！?/p>

圖4 類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人尾部長(zhǎng)短可以通過渦旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)

在磁場(chǎng)的作用下，這種類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人可以靈活的在液體中游動(dòng)，展示了其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景（圖5及圖6）。

圖5 不同磁場(chǎng)頻率下，不規(guī)則頭結(jié)構(gòu)的類精子結(jié)構(gòu)微型機(jī)器人游動(dòng)展示

圖6 同一磁場(chǎng)下，三種不對(duì)稱類精子結(jié)構(gòu)微型機(jī)器人游動(dòng)展示（規(guī)則頭部，不規(guī)則頭部，螺旋頭部）

為了提高新型微游動(dòng)器的藥物遞送性能，如圖7所示，該研究團(tuán)隊(duì)在微游動(dòng)器表面涂覆了一層酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan），這種膜能夠在不同pH環(huán)境下實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢和可控釋放。在實(shí)驗(yàn)中，涂覆ACA膜的微游動(dòng)器在不同環(huán)境條件下都表現(xiàn)出色，藥物釋放效果顯著優(yōu)于未涂覆膜的微游動(dòng)器（圖8）。

圖7 酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）形成機(jī)理及性能表征展示

圖8 包覆酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）的類精子結(jié)構(gòu)微型機(jī)器人展示了更顯著的藥物釋放效果

香港科技大學(xué)申教授補(bǔ)充道：“漩渦湍流輔助的微流控平臺(tái)提供了一種制造復(fù)雜三維多形態(tài)結(jié)構(gòu)的方法，是傳統(tǒng)層流設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的。在后期工作中，為將其推向?qū)嶋H應(yīng)用，還有許多挑戰(zhàn)需要克服。例如，我們需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝來確保微游動(dòng)機(jī)器人加工的一致性和穩(wěn)定性。此外，還需進(jìn)行進(jìn)一步的體內(nèi)測(cè)試，以驗(yàn)證這些微游動(dòng)機(jī)器人在臨床環(huán)境中的實(shí)際效果?！?/p>

此次研究不僅展示了仿生設(shè)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用潛力，也為未來的藥物遞送系統(tǒng)提供了新的思路。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信新型類精子結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人將在不久的將來為人類健康事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。