研究人員通過(guò)光力將一個(gè)具有三指形狀的硅藻（三角褐指藻）旋轉(zhuǎn)起來(lái)，構(gòu)建成硅藻機(jī)器人，硅藻機(jī)器人周圍局部流場(chǎng)產(chǎn)生的光水動(dòng)力可以輕松將尺寸小至100納米的目標(biāo)物進(jìn)行捕獲與收集。該方法為細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)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(xì)胞研究的生物制造、疫苗研制等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

 

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

 

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

 

清除生物威脅物不影響細(xì)胞？確實(shí)是個(gè)難題

 

暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院副院長(zhǎng)辛洪寶教授介紹，在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)工程中，細(xì)胞培養(yǎng)起著非常關(guān)鍵的作用，病理機(jī)制研究、新藥研發(fā)和藥效評(píng)價(jià)，以及疫苗研制等方面都要用到細(xì)胞培養(yǎng)。

 

細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)環(huán)境有著很高的要求，須保證與細(xì)胞接觸的物品無(wú)菌且無(wú)污染。在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中主要存在兩大污染：一是化學(xué)污染，如培養(yǎng)基受到的化學(xué)成分污染；二是生物污染，包括細(xì)菌、真菌、病毒以及支原體等生物威脅物的污染。如實(shí)驗(yàn)人員操作不當(dāng)或環(huán)境清潔不到位，都可能導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)受污染，對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究造成很大的經(jīng)濟(jì)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(duì)性，在殺死細(xì)菌等污染物的同時(shí)也會(huì)干擾培養(yǎng)的細(xì)胞。雖然使用抗生素可以強(qiáng)化殺滅細(xì)菌的靶向性，但也會(huì)增加細(xì)菌耐藥性的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)影響神經(jīng)細(xì)胞等珍貴細(xì)胞的生長(zhǎng)。另外，國(guó)際上目前雖可以利用納米材料來(lái)完成這一任務(wù)，但這種方法同樣缺乏主動(dòng)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(duì)污染物進(jìn)行移除。

 

來(lái)自海豚逐浪的靈感

 

海洋中存在一種船尾乘浪效應(yīng)：當(dāng)船在行進(jìn)過(guò)程中，在周圍會(huì)形成壓力波，海豚如沿著壓力波游動(dòng)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(dǎo)航的光流體力硅藻機(jī)器人。

 

構(gòu)建光控微納生物機(jī)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(lái)使用，無(wú)須化學(xué)加工。通過(guò)光力使硅藻機(jī)器人快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)周圍液體形成局部流體，細(xì)菌等生物威脅物就像海豚，借助流體的運(yùn)動(dòng)輕松追隨機(jī)器人，從而被機(jī)器人捕獲。這一方法可輕松將尺寸小至100納米的目標(biāo)物進(jìn)行捕獲與收集。

 

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

 

目前，這種方法還依賴人工操作，將培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)皿放置在顯微鏡下進(jìn)行觀察，當(dāng)看到納米級(jí)的生物威脅物時(shí)，就利用硅藻機(jī)器人對(duì)其進(jìn)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(xué)習(xí)方法，讓硅藻機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別生物威脅物，實(shí)現(xiàn)自發(fā)移除的目的。

 

微納機(jī)器人失控怎么辦？

 

辛洪寶介紹，目前國(guó)內(nèi)外微納機(jī)器人發(fā)展非常迅速，在科研人員的不懈努力下，微納機(jī)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(xué)各方面都有很大的突破。

 

在國(guó)外研究機(jī)構(gòu)當(dāng)中，歐美處于領(lǐng)先地位。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)研制的微納機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)藥物靶向遞送，已用于胃腸道疾病的治療當(dāng)中，且構(gòu)建材料也是硅藻類；蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用磁控方法構(gòu)建的微納機(jī)器人，將其放入人眼中，能夠?qū)崿F(xiàn)白內(nèi)障的自動(dòng)診療。

 

在國(guó)內(nèi)，微納機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了一定發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用細(xì)胞膜偽裝技術(shù)，構(gòu)建的納米機(jī)器人在藥物輸運(yùn)、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(guó)家納米中心、武漢理工大學(xué)、香港中文大學(xué)以及暨南大學(xué)等科研單位的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，在納米機(jī)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(rèn)為微納機(jī)器人未來(lái)可能會(huì)失控，科研人員也有此類擔(dān)憂。為避免微納機(jī)器人后續(xù)不受控制的情況，在其完成生物醫(yī)學(xué)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(chǎng)將機(jī)器人從體內(nèi)取出；二是使用能夠生物降解的材料使機(jī)器人在體內(nèi)自動(dòng)降解。

 

總體來(lái)看，微納機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。辛洪寶表示，未來(lái)打算利用微納機(jī)器人實(shí)現(xiàn)生物系神經(jīng)細(xì)胞的調(diào)控，對(duì)衰老的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行活性恢復(fù)，此外，也希望利用微納機(jī)器人深入活細(xì)胞內(nèi)部，去了解生命的機(jī)制。