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中國科大研制遠程可控的磁控微納機器人用于靶向藥物治療

2019-12-25 中國科學技術大學
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  諾貝爾獎得主、理論物理學家理查德·費曼曾在1959年率先提出利用微型機器人治病的想法,用他的話說,就是將“外科醫生”吞下。隨著微納米加工技術的發展,加工這些可以被吞下的“外科醫生”成爲現實,人們通常把這些“外科醫生”稱爲人造微納機器人。受自然界微生物自由運動啓發,人造微納機器人近些年得到了廣泛的關注與研究,通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅動這些微納機器人,在無創手術、靶向藥物運輸和生物傳感檢測等領域具有廣泛的應用。在多種驅動方案中,磁場驅動可以無線式精確操縱微納機器人,改變外部磁場梯度和方向,會對微納機器人施加力和力矩,進而使其沿著期望的軌迹運動。

  近期,中國科學技術大學工程科学学院微纳米工程实验室在利用调制结构光场高效加工微纳机器人及其细胞移植、靶向药物运输方面取得新进展。他们通过将调制的涡旋光束进行单次快速曝光或三维空间扫描加工出泳动性能与装载货物能力更强的空心管形和锥形螺旋结构,并利用该结构进行神经干细胞的体外移植、靶向药物运输治疗肿瘤细胞。相关成果分别發表在《先進材料》《先進功能材料》上[Adv. Mater., 31, 1808226, 2019; Adv. Funct. Mater., 29, 1905745, 2019]

  在上述工作中,研究人員設計具有特殊相位信息的光場全息圖,並將其加載于空間光調制器面板上,調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構,相比于傳統的激光直寫加工(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的管狀與螺旋結構,大大提高了複雜三維結構的加工能力。

  其次,利用如圖2所示的錐形空心螺旋結構,並在其表面加入磁性響應材料。采用自行搭建的三維亥姆霍茲線圈控制系統,調節輸入電流的相位信息在三維空間內形成旋轉磁場,磁場方向的改變使磁性結構受到磁力矩作用,進而完成有效驅動。經對比發現錐形螺旋相比于傳統的直螺旋結構具有更快的前進速度,並有效抑制了橫向漂移運動。

  除此之外,利用磁場梯度和方向的變化可以有效完成微結構的精確導向,空心錐形螺旋在旋轉磁場下完成各種複雜圖案化軌迹運動(如圖3所示),空心管狀結構在梯度磁場下完成SiO2微球的裝載、運輸、排列與釋放。

  最後,研究人員利用錐形空心螺旋結構內部與外部分別裝載納米及微米級貨物,並在體外完成了神經幹細胞的移植;利用管狀微結構裝載運輸抗癌藥物(DOX)對癌細胞(Hela)進行有效治療,並通過熒光驗證治療效果。這些工作提出了簡單穩定的空心管狀、錐形螺旋微電機加工操縱技術,在細胞移植、體內藥物運輸、無創手術等領域具有重要應用前景,爲相關生物醫療領域提供了新的技術手段。

  工程科学学院博士生辛晨、杨亮为論文的第一作者,教授吴东和副教授胡衍雷为論文的共同通讯作者。这项工作得到国家自然科学基金重大仪器、中科院和科技部重点研发计划的支持。

  論文链接:1 2

1 調制三維渦旋光場加工空心管狀與錐形螺旋結構

2 錐形空心螺旋加工與磁場驅動

磁場精確驅動空心錐形螺旋與管狀結構

4 空心微螺旋與管狀結構分別用于神經幹細胞移植與靶向藥物運輸治療腫瘤

打印 責任編輯:葉瑞優

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