諾貝爾獎得主理論物理學(xué)家理查德·費曼曾在1959年率先提出利用微型機(jī)器人治病的想法，用他的話說，就是將“外科醫(yī)生”吞下。隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，加工這些可以被吞下的“外科醫(yī)生”成為現(xiàn)實，人們通常把這些“外科醫(yī)生”稱為人造微納機(jī)器人。

       受自然界微生物自由運動啟發(fā)，人造微納機(jī)器人近些年得到了廣泛的關(guān)注與研究，通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅(qū)動這些微納機(jī)器人，在無創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物運輸和生物傳感檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在多種驅(qū)動方案中，磁場驅(qū)動可以無線式精確操縱微納機(jī)器人，改變外部磁場梯度和方向，會對微納機(jī)器人施加力和力矩，進(jìn)而使其沿著期望的軌跡運動。

 

　　近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實驗室在利用調(diào)制結(jié)構(gòu)光場高效加工微納機(jī)器人及其細(xì)胞移植、靶向藥物運輸方面取得重要進(jìn)展。他們通過將調(diào)制的渦旋光束進(jìn)行單次快速曝光或三維空間掃描加工出泳動性能與裝載貨物能力更強(qiáng)的空心管形和錐形螺旋結(jié)構(gòu)，并利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行神經(jīng)干細(xì)胞的體外移植、靶向藥物運輸治療腫瘤細(xì)胞。

       相關(guān)成果分別以“Conical Hollow Microhelices with Superior Swimming Capabilities for Targeted Cargo Delivery”和“Targeted Single-Cell Therapeutics with Magnetic Tubular Micromotor by One-Step Exposure of Structured Femtosecond Optical Vortices”為題發(fā)表在Advanced Materials和Advanced Functional Materials [Adv. Mater., 31, 1808226, 2019; Adv. Funct. Mater., 29, 1905745, 2019]。

 

圖1 調(diào)制三維渦旋光場加工空心管狀與錐形螺旋結(jié)構(gòu)

 

　　在上述工作中，研究人員設(shè)計具有特殊相位信息的光場全息圖，并將其加載于空間光調(diào)制器面板上，調(diào)制出的三維渦旋光場可用于高效加工空心管狀和錐形螺旋結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的激光直寫加工（DLW），光場加工速度最快提高了600倍。除此之外，利用該方法也可以靈活可控地加工出不同參數(shù)的管狀與螺旋結(jié)構(gòu)，大大提高了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工能力。

 

圖2 錐形空心螺旋加工與磁場驅(qū)動

 

　　其次，利用如圖2所示的錐形空心螺旋結(jié)構(gòu)，并在其表面加入磁性響應(yīng)材料。采用自行搭建的三維亥姆霍茲線圈控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)輸入電流的相位信息在三維空間內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)磁場，磁場方向的改變使磁性結(jié)構(gòu)受到磁力矩作用，進(jìn)而完成有效驅(qū)動。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)錐形螺旋相比于傳統(tǒng)的直螺旋結(jié)構(gòu)具有更快的前進(jìn)速度，并有效抑制了橫向漂移運動。

 

圖3 磁場精確驅(qū)動空心錐形螺旋與管狀結(jié)構(gòu)

 

　　除此之外，利用磁場梯度和方向的變化可以有效完成微結(jié)構(gòu)的精確導(dǎo)向，空心錐形螺旋在旋轉(zhuǎn)磁場下完成各種復(fù)雜圖案化軌跡運動（如圖3所示），空心管狀結(jié)構(gòu)在梯度磁場下完成SiO2微球的裝載、運輸、排列與釋放。

 

圖4 空心微螺旋與管狀結(jié)構(gòu)分別用于神經(jīng)干細(xì)胞移植與靶向藥物運輸治療腫瘤

 

　　最后，研究人員利用錐形空心螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部分別裝載納米及微米級貨物，并在體外完成了神經(jīng)干細(xì)胞的移植；利用管裝微結(jié)構(gòu)裝載運輸抗癌藥物（DOX）對癌細(xì)胞（Hela）進(jìn)行有效治療，并通過熒光驗證治療效果。這些工作提出了簡單穩(wěn)定的空心管狀、錐形螺旋微電機(jī)加工操縱技術(shù)，在細(xì)胞移植、體內(nèi)藥物運輸、無創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，為相關(guān)生物醫(yī)療領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。

 

　　工程科學(xué)學(xué)院博士生辛晨、楊亮為論文的第一作者，吳東教授和胡衍雷副教授為論文的共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金重大儀器、中國科學(xué)院和科技部重點研發(fā)計劃的支持。

 

　　論文鏈接：

 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808226

 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905745