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研究人員通過光力將一個具有三指形狀的硅藻（三角褐指藻）旋轉(zhuǎn)起來，構(gòu)建成硅藻機器人，硅藻機器人周圍局部流場產(chǎn)生的光水動力可以輕松將尺寸小至100納米的目標物進行捕獲與收集。該方法為細胞培養(yǎng)過程中生物威脅物的移除提供了全新的工具，將助力基于活細胞研究的生物制造、疫苗研制等生物醫(yī)學應(yīng)用。

 

光流體力硅藻微機器人在生物環(huán)境中實現(xiàn)生物威脅物收集與移出的示意圖

 

污染對于細胞培養(yǎng)有著怎樣的威脅？硅藻機器人到底是如何工作的？如何通過光力控制它們？在微納生物機器人研究領(lǐng)域，國內(nèi)外還有哪些突破？

 

清除生物威脅物不影響細胞？確實是個難題

 

暨南大學納米光子學研究院副院長辛洪寶教授介紹，在生物醫(yī)學和醫(yī)學工程中，細胞培養(yǎng)起著非常關(guān)鍵的作用，病理機制研究、新藥研發(fā)和藥效評價，以及疫苗研制等方面都要用到細胞培養(yǎng)。

 

細胞培養(yǎng)對環(huán)境有著很高的要求，須保證與細胞接觸的物品無菌且無污染。在細胞培養(yǎng)過程中主要存在兩大污染：一是化學污染，如培養(yǎng)基受到的化學成分污染；二是生物污染，包括細菌、真菌、病毒以及支原體等生物威脅物的污染。如實驗人員操作不當或環(huán)境清潔不到位，都可能導致細胞培養(yǎng)受污染，對生物醫(yī)學研究造成很大的經(jīng)濟損失。

 

通常情況下，主要采用75%的酒精和紫外線消除生物性污染，但這些方法缺乏針對性，在殺死細菌等污染物的同時也會干擾培養(yǎng)的細胞。雖然使用抗生素可以強化殺滅細菌的靶向性，但也會增加細菌耐藥性的風險，同時也會影響神經(jīng)細胞等珍貴細胞的生長。另外，國際上目前雖可以利用納米材料來完成這一任務(wù)，但這種方法同樣缺乏主動性。因此，亟需提供一種具有高選擇性和高生物相容性的方法對污染物進行移除。

 

來自海豚逐浪的靈感

 

海洋中存在一種船尾乘浪效應(yīng)：當船在行進過程中，在周圍會形成壓力波，海豚如沿著壓力波游動則可隨波逐流，減少體力的消耗。受此啟發(fā)，研究人員構(gòu)建了以光為導航的光流體力硅藻機器人。

 

構(gòu)建光控微納生物機器人的材料是自然界中廣泛存在的一種三指形硅藻（三角褐指藻），這種硅藻可直接拿來使用，無須化學加工。通過光力使硅藻機器人快速旋轉(zhuǎn)，帶動周圍液體形成局部流體，細菌等生物威脅物就像海豚，借助流體的運動輕松追隨機器人，從而被機器人捕獲。這一方法可輕松將尺寸小至100納米的目標物進行捕獲與收集。

 

不僅如此，通過在硅藻機器人表面修飾一層具有高生物兼容性且無毒的殼聚糖材料，使機器人具備高效的抗菌能力，在移除污染細菌的同時實現(xiàn)高效殺菌。

 

目前，這種方法還依賴人工操作，將培養(yǎng)細胞的培養(yǎng)皿放置在顯微鏡下進行觀察，當看到納米級的生物威脅物時，就利用硅藻機器人對其進行移除。辛洪寶表示，后續(xù)將嘗試結(jié)合人工智能或深度學習方法，讓硅藻機器人自動識別生物威脅物，實現(xiàn)自發(fā)移除的目的。

 

微納機器人失控怎么辦？

 

辛洪寶介紹，目前國內(nèi)外微納機器人發(fā)展非常迅速，在科研人員的不懈努力下，微納機器人在定向靶向藥物遞送、精密顯微操作以及生成組織成像等生物醫(yī)學各方面都有很大的突破。

 

在國外研究機構(gòu)當中，歐美處于領(lǐng)先地位。加州大學圣地亞哥分校的研究團隊研制的微納機器人可以實現(xiàn)藥物靶向遞送，已用于胃腸道疾病的治療當中，且構(gòu)建材料也是硅藻類；蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊利用磁控方法構(gòu)建的微納機器人，將其放入人眼中，能夠?qū)崿F(xiàn)白內(nèi)障的自動診療。

 

在國內(nèi)，微納機器人也實現(xiàn)了一定發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學的團隊利用細胞膜偽裝技術(shù)，構(gòu)建的納米機器人在藥物輸運、體內(nèi)生物屏障穿透及腫瘤治療等方面都取得良好成效。中科院國家納米中心、武漢理工大學、香港中文大學以及暨南大學等科研單位的多個研究團隊，在納米機器人方面也都取得了很多突破性成果。

 

在一些科幻作品中，認為微納機器人未來可能會失控，科研人員也有此類擔憂。為避免微納機器人后續(xù)不受控制的情況，在其完成生物醫(yī)學操作后，通常采用兩種方式將其從體內(nèi)移除。一是利用磁場將機器人從體內(nèi)取出；二是使用能夠生物降解的材料使機器人在體內(nèi)自動降解。

 

總體來看，微納機器人在生物醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。辛洪寶表示，未來打算利用微納機器人實現(xiàn)生物系神經(jīng)細胞的調(diào)控，對衰老的神經(jīng)細胞進行活性恢復，此外，也希望利用微納機器人深入活細胞內(nèi)部，去了解生命的機制。