基于小球藻細(xì)胞的磁性復(fù)合多聚體微機(jī)器人用于高效靶向給藥

微納機(jī)器人在低雷諾數(shù)流體中可將能量轉(zhuǎn)化為有效運(yùn)動(dòng)，因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，磁性微納機(jī)器人作為一種有發(fā)展前景的靶向給藥平臺(tái)而受到了特別的關(guān)注。科研工作者設(shè)計(jì)了不同的磁性微納機(jī)器人用于高效遞送抗癌藥物至靶向腫瘤部位并取得了較好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，作為體內(nèi)給藥的平臺(tái)或載體，一方面，微納機(jī)器人的生物相容性是至關(guān)重要；另一方面，微納機(jī)器人的重構(gòu)對(duì)于其在復(fù)雜變化環(huán)境中高度靈活地完成給藥具有重要意義。然而，目前來(lái)說(shuō)，微納機(jī)器人的研究在同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面的要求上仍具有一定的挑戰(zhàn)性。

天然生物模板具有良好的生物相容性和精致結(jié)構(gòu)的固有優(yōu)勢(shì)，有望為磁性微納機(jī)器人的制備提供新的機(jī)遇。小球藻是一種具有良好的生物相容性和生物降解性的單細(xì)胞微藻。它們具有均勻的球狀結(jié)構(gòu)，直徑約為3-5μm。這些特性使它們具有作為理想天然生物材料用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的*性。然而，由于扇貝定理的限制，在低雷諾數(shù)流體中采用動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)有效地驅(qū)動(dòng)具有簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)球體形狀的單一微球是不可行的，這限制了微藻細(xì)胞在微機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

近日，北京航空航天大學(xué)蔡軍課題組制備了一種基于小球藻細(xì)胞的磁性復(fù)合多聚體微機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了高效的靶向給藥。研究者將小球藻(Chlorella，Ch.)細(xì)胞作為一種生物模板，依次進(jìn)行Fe3O4沉積、抗癌藥物阿霉素(DOX)裝載，實(shí)現(xiàn)磁性復(fù)合微機(jī)器人單元的制備。利用磁偶極作用，微機(jī)器人單元通過(guò)誘導(dǎo)自組裝作用重構(gòu)成鏈狀的復(fù)合多聚體微機(jī)器人(BMMs)，如微小的二聚體、三聚體等。基于面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)設(shè)計(jì)了啞鈴形的微流控通道，用于進(jìn)行BMMs的體外靶向給藥試驗(yàn)(圖1)。

圖1，BMMs的制備和靶向給藥示意圖。

圖2，自組裝BMMs的驅(qū)動(dòng)性能。

圖3，BMMs的生物相容性和化療性能。

圖4，BMMs的體外靶向給藥試驗(yàn)。

BMMs具有兩種不同的運(yùn)動(dòng)模式，包括動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)下的旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下的翻滾；運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量以及精確定位的實(shí)現(xiàn)表明BMMs具有優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)能力(圖2)。BMMs還表現(xiàn)出良好的生物相容性、高效的DOX裝載能力、pH觸發(fā)釋藥能力以及顯著的化療效果(圖3)。另外，采用PμSL(nanoArch S140, 摩方精密)技術(shù)結(jié)合PDMS倒模技術(shù)制備了啞鈴形微流控通道，在該通道內(nèi)，利用磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了BMMs對(duì)HeLa癌細(xì)胞的靶向給藥。結(jié)果表明BMMs可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向給藥，并對(duì)抗腫瘤治療具有良好的療效。此研究在靶向抗癌治療方面具有巨大的應(yīng)用潛力。該研究成果，以“Magnetic Biohybrid Microrobot Multimers Based on Chlorella Cells for Enhanced Targeted Drug Delivery”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。