科幻!ACS NANO:纳米机器人用于肿瘤细胞局部治疗

2021-10-26 09:33 · 苗攀登

随环境变形的磁驱水凝胶微纳米结构(纳米机器人)实现了微观上局部药物(DOX)包封和可控释放。它们还可以改造用以操作或者保护各种分子,比如容易被破坏的药物分子和多肽药物等。

很多科幻电影里都有将微型机器人植入人体,对人体进行控制或者改造的情节。如今,这种在科幻电影里才能出现的场景已经不是天方夜谭!2021年10月,《ACS NANO》最新刊登了来自合肥微尺度物质科学国家研究中心的最新研究成果:Environmentally AdaptiveShape-MorphingMicrorobots for Localized Cancer CellTreatment。在这一研究中,研究者们利用pH响应水凝胶设计和制作了一种微型结构。这种微型结构被设计成可爱的鱼和螃蟹的形状,通过改变环境的pH可以控制鱼鳍的收缩和蟹钳的闭合,本质上就是pH调控的水凝胶膨胀程度的变化。另一方面,通过在水凝胶微型结构修饰磁性材料使其具有了磁感应性能,可以利用磁场来驱动水凝胶微型结构的位置变化。

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具体来说,研究者们首先通过一步法4D打印技术制备水凝胶微型鱼结构,在pH小于9时,水凝胶膨胀程度减小,使鱼鳍收缩,在微观结构上表现为水凝胶空隙由500nm减小为200nm。类似的,水凝胶微型螃蟹结构被设计成了蟹钳的收缩现象。

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(图注:水凝胶微型鱼、螃蟹结构)

之后,为了使这种微型结构具备磁感应能力,研究者们利用SiO2包被的Fe3O4纳米颗粒修饰了水凝胶微型结构。通过控制pH,这种水凝胶微型螃蟹结构的蟹钳可以由2微米张开到14微米。在pH大于9时,货物进入张开的蟹钳中;调节pH小于9,蟹钳夹住(装载)货物,在磁场中移动到目的位置后,调节pH张开蟹钳释放货物,就完成了整个过程。

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(图注:水凝胶微型螃蟹结构及其运送货物的过程)

为了在生理环境中应用,研究者们设计了以pH7.4为临界值的水凝胶微型小鱼。微型小鱼(嘴)装载阿霉素(DOX)后加入PBS,水凝胶发生膨胀封装DOX,运动到目的位置后,调节pH小于7.4,水凝胶收缩张开封口释放DOX,杀死Hela细胞(一种癌细胞)。这种微型小鱼的运动轨迹由外加磁场控制。与对照相比,装载DOX并且顺利释放DOX的微型小鱼附近的Hela细胞明显被杀死(死细胞染色呈红色)。

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(图注:磁驱水凝胶微型小鱼对DOX的包封、运载和可控释放)

此外,研究者们还在人造血管的环境中验证了水凝胶微型小鱼的功能。使用光刻和PDMS模塑制作人造血管,并用磁驱微型小鱼对局部的HeLa细胞进行处理。与对照相比,微型小鱼局部的DOX浓度随时间越来越高,对Hela细胞的杀伤也越来越明显。

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总结:随环境变形的磁驱水凝胶微纳米结构(纳米机器人)实现了微观上局部药物(DOX)包封和可控释放。不仅如此,它们还可以改造用以操作或者保护各种分子,比如容易被破坏的药物分子和多肽药物等。因此,微纳米机器人技术在肿瘤治疗、干细胞移植、活体生物传感等方面有着巨大的研究潜力。

参考资料:

1.Environmentally Adaptive Shape-Morphing Microrobots for Localized Cancer Cell Treatment