“微型機(jī)器人可以在生物流體中導(dǎo)航，并執(zhí)行廣泛的生物醫(yī)學(xué)任務(wù)，如顯微外科手術(shù)、藥物輸送、生物靶標(biāo)的分離、生物傳感和在單個(gè)活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行操作。微型機(jī)器人在生物流體或組織中的運(yùn)動(dòng)增加了它們的停留時(shí)間，并可進(jìn)一步增強(qiáng)靶向藥物遞送。微型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如藥物輸送、顯微外科手術(shù)、成像和監(jiān)測(cè)、組織工程等應(yīng)用前景廣闊。3D打印技術(shù)的進(jìn)步使得這些機(jī)器人能夠更精準(zhǔn)地執(zhí)行復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)任務(wù)。”

本研究由德國(guó)斯圖加特的馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的Yun-Woo Lee及其所在團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，研究成果發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。該論文的主題是開(kāi)發(fā)一種多功能的3D打印水凝膠微型機(jī)器人，靈感來(lái)源于花粉顆粒，旨在實(shí)現(xiàn)按需錨定和貨物輸送的功能。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微型機(jī)器人在靶向藥物輸送和治療難以到達(dá)的深部病灶方面展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)微型機(jī)器人在生物體內(nèi)的操作受到多種因素的限制，包括生物組織的復(fù)雜性和生物流體環(huán)境的多樣性。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究者們提出了一種新型的多功能微型機(jī)器人，采用了三種不同的水凝膠材料，分別是嵌入鐵鉑（FePt）納米顆粒的五元醇三丙烯酸酯（PETA）、聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）和聚N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸（pNIPAM-AAc）。每種材料都具有特定的功能：PETA用于響應(yīng)磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)表面滾動(dòng)和轉(zhuǎn)向，pNIPAM用于溫度響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)按需表面附著，而pNIPAM-AAc則用于pH響應(yīng)的貨物釋放。

在研究過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)采用了雙光子聚合的3D微打印技術(shù)，利用Nanoscribe設(shè)備Photonic Professional GT制造出這些微型機(jī)器人。通過(guò)這種先進(jìn)的打印技術(shù)，研究者們能夠精確控制微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，使其能夠在生物環(huán)境中獨(dú)立執(zhí)行多種任務(wù)。具體而言，MPH機(jī)器人在溫度升高時(shí)，外殼的pNIPAM材料會(huì)收縮，暴露出內(nèi)部的刺狀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織的可控附著。這種設(shè)計(jì)不僅提高了微型機(jī)器人的附著能力，還使其能夠在生物體內(nèi)靈活移動(dòng)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究者們對(duì)MPH機(jī)器人的附著性能進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其在生物流體環(huán)境中能夠有效抵抗外部干擾，保持穩(wěn)定的附著力。通過(guò)COMSOL模擬，研究團(tuán)隊(duì)估算了微型機(jī)器人在生物通道內(nèi)的升力和阻力，結(jié)果表明，MPH機(jī)器人在生物通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于通道中心的流速，這使得其在附著時(shí)能夠有效抵抗流體的干擾。此外，研究還表明，MPH機(jī)器人的刺狀結(jié)構(gòu)在與生物組織接觸時(shí)，能夠提供顯著的附著力和摩擦力，尤其是在軟生物組織表面，表現(xiàn)出優(yōu)異的附著性能。

為了實(shí)現(xiàn)按需藥物釋放，研究者們?cè)贛PH機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中引入了pH響應(yīng)性材料pNIPAM-AAc。通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，研究者們能夠控制藥物的釋放速度和釋放量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的藥物輸送。這一創(chuàng)新的藥物釋放機(jī)制使得MPH機(jī)器人在靶向治療中具有更高的靈活性和有效性。

總的來(lái)說(shuō)，本研究展示了一種新型的多功能水凝膠微型機(jī)器人，具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和多樣的功能，能夠在復(fù)雜的生物環(huán)境中執(zhí)行多種任務(wù)。通過(guò)將不同的刺激響應(yīng)機(jī)制解耦，研究者們成功地實(shí)現(xiàn)了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、附著和藥物釋放功能的獨(dú)立控制。這一研究不僅為未來(lái)的醫(yī)療微型機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路，也為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索如何優(yōu)化這些微型機(jī)器人的性能，以滿(mǎn)足更廣泛的臨床需求。

相關(guān)文獻(xiàn)及圖片出處
https://doi.org/10.1002/adma.202209812

來(lái)源
MNTech微納導(dǎo)航 l 多功能水凝膠微型機(jī)器人：基于花粉顆粒的3D打印技術(shù)在靶向藥物輸送中的應(yīng)用

(責(zé)任編輯：admin)

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