然而，目前常用的微機器人藥物裝載策略（如表面修飾或共混）存在以下問題并極大地限制了它們的治療效率：

 

　　1）裝載效率低，進而導致了制備過程中的藥物浪費和體內遞送效率低下；

 

　　2）藥物在遞送過程中缺乏有效的保護，從而導致其降解、失活和非特異性損失；

 

　　3）裝載策略限制了藥物的選擇，例如表面修飾需要對藥物進行物理或化學改性來實現(xiàn)粘附或共價連接，而共混則需要藥物與打印樹脂的高度互溶且不受加工過程影響。

 

　　鑒于此，英國皇家科學院院士、皇家工程院院士、美國國家工程院外籍院士、帝國理工學院Molly Stevens課題組提出了一種集成微流控裝載和浸封（MLDS）的可填充微機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過雙光子聚合技術將微流控裝載系統(tǒng)與可填充微機器人一體化3D打印，利用微流控的優(yōu)勢可實現(xiàn)將不同藥物以溶液形式高精度直接裝載，從而提高裝載效率并最大限度地減少浪費。同時開發(fā)了一種精確可控的浸漬封裝策略，利用刺激響應材料封裝和保護微機器人內裝載的藥物并保證其幾何和結構完整性。

 

　　論文的第一作者為博士后研究員孫汝杰博士和博士研究生宋昕，成果發(fā)表在Advanced Materials上。共同作者包括帝國理工學院周琨、左宇揚、謝若簫、冷亦萱、馬鋆、劉雨彤及清華大學耿洪亞教授等。

 

　　整體設計

 

　　整個系統(tǒng)的制備過程可分為結構打印、微流控裝載、子系統(tǒng)分離、高精度浸封和微機器人分離五個步驟。其中微流控裝載子系統(tǒng)由支撐底座、微機器人陣列和微流控通道三部分組成，微機器人陣列彼此通過微流體通道物理連接，同時通過兩個特殊接口設計以實現(xiàn)藥物裝載以及后續(xù)的順序分離。此外設計了特殊的壓力釋放窗口避免藥物裝載過程中殘余壓力導致的泄露。

圖1.整體系統(tǒng)設計

 

　　文章要點

       1）首先通過Nanoscribe雙光子打印技術自下而上一體化集成制造了整個系統(tǒng)，同時通過優(yōu)化激光功率、掃描速度和算法優(yōu)化等打印參數(shù)，以最大限度地減少打印時間并保持結構完整性。然后選擇羅丹明B為代表性藥物，通過微流控將藥物溶液載入微機器人內部腔體，由于該裝載過程實現(xiàn)了藥物溶液的直接精確裝載，大大提高了裝載效率并減少了實現(xiàn)充分裝載的所需的最低量。隨后提出了一種浸漬密封的方法，即將微機器人的頂部浸漬熔融的聚合物層以形成密封層，通過對接觸力、溫度等參數(shù)的精細控制和微機器人的結構優(yōu)化實現(xiàn)了微機器人的可靠密封。

圖2.微流控裝載和浸封技術驗證

 

　　2）通過改變密封層的材料，可實現(xiàn)溫控和近紅外光控兩種可控的藥物釋放模式，其中溫控可實現(xiàn)初始爆發(fā)性釋放及后續(xù)的緩釋，而近紅外光控可實現(xiàn)選擇性釋放。此外，通過控制裝載藥物的初始濃度及微機器人的數(shù)量來控制最終的藥物釋放量。

圖3.藥物的溫控及光控釋放

 

　　3）該系統(tǒng)廣譜適用于多種藥物及刺激響應密封材料，為微機器人系統(tǒng)在靶向藥物遞送、環(huán)境傳感和微納馬達應用方面提供了新的機會。例如，可以通過在微機器人表面用物理氣相沉積涂敷鎳/鈦復合薄膜制備磁控微機器人，實現(xiàn)靶向磁控滾動和按需釋放，并在體外多分支血管模擬通路和體外豬組織中得到了概念驗證。此外，可通過裝載溴百里酚藍將微機器人作為高精度pH環(huán)境傳感器，或通過裝載催化劑藥物溶液使微機器人在過氧化氫溶液中作為化學動力微納馬達。

圖4.微機器人系統(tǒng)的應用展示