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微游动机器人在生物医学中的应用前景广阔，特别是在精准药物递送和微创手术中。然而，传统微游动机器人存在制造工艺复杂、材料要求高以及环境适应性差等问题。香港科技大学申亚京教授的研究团队提出了一种基于漩涡湍流辅助的微流控平台(VTAM)，可实现类精子结构的微型机器人一步成型，配合外部磁场驱动为药物递送提供了新的载体。研究团队进一步将微游动器导入生物体模拟环境，并在特定位置释放药物，展示了这种新型微游动机器人在生物医学中的应用前景。
申教授表示：“我们早前的研究发现，鳐鱼精子具有特殊的双节螺旋结构，能够在不同粘度的液体环境中实现高效推进[PANS, 118, e2024329118 (2021)] (图1)。但是，如何批量制造类精子结构的微型机器人并实现高效驱动和可控药物释放一直是个难题。在这项工作中，我们提出的漩涡湍流辅助微流控平台(VTAM)，克服了传统微流控平台对加工非对称结构的复杂化，为解决这一挑战提供了思路。”
图1. 鳐鱼精子的双节螺旋结构
如图2所示，VTAM平台结合了一个传统十字形微流控芯片和一个通过旋转磁力搅拌器形成的漩涡容器，微流控芯片形成单分散的磁性藻酸盐液滴并通过毛细管转移到氯化钙溶液漩涡容器。液滴在漩涡流的作用下爆裂（图3），内部的磁性藻酸盐溶液暴露并沿着漩涡流的方向被抽出，形成类精子的非对称结构。在抽出尾部后，由于与氯化钙溶液中的钙离子发生交联反应，液滴在几毫秒内固化。
图2. VTAM平台及类精子结构的微型机器人形成机理展示
图3. 液滴破乳的动态仿真模拟
文章第一作者谭蓉提到：“VTAM平台结合了一个传统十字形微流控芯片和一个通过旋转磁力搅拌器形成的漩涡容器，
通过该策略制备的微游动器具有可生物降解的核壳头部和柔性尾部，其形态可通过涡流转速和溶液浓度调节”，如图4所示。
图4. 类精子结构的微型机器人尾部长短可以通过涡旋转速进行调节
在磁场作用下，这种类精子结构的微型机器人可以灵活的在液体中游动，展示了其在生物医学中的应用前景 （图5及图6）。
图
5
. 不同磁场频率下，不规则头结构的类精子结构微型机器人游动展示
图
6
. 同一磁场下，三种不对称类精子结构微型机器人游动展示（规则头部，不规则头部，螺旋头部）
为了提高新型微游动器的药物递送性能，如图7所示，研究团队在微游动器表面涂覆了一层酸碱性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan），这种膜能够在不同pH环境下实现药物的缓慢和可控释放。在实验中，涂覆ACA膜的微游动器在不同环境条件下都表现出色，药物释放效果显著优于未涂覆膜的微游动器 （图8）。
图7. 酸碱性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）形成机理及性能表征展示
图8. 包覆酸碱性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）的类精子结构微型机器人展示了更显著的药物释放效果
申教授补充道：“VTAM平台提供了一种制造复杂三维多形态结构的方法，是传统层流设备无法实现的。在后期工作中，为将其推向实际应用，还有许多挑战需要克服。例如，我们需要进一步优化工艺来确保微游动机器人加工的一致性和稳定性。此外，还需进行进一步的体内测试，以验证这些微游动机器人在临床环境中的实际效果。”
此次研究不仅展示了仿生设计在生物医学工程中的应用潜力，也为未来的药物递送系统提供了新的思路。随着技术的不断进步，相信新型类精子结构的微型机器人将在不久的将来为人类健康事业做出更大贡献。
这项由申教授领导的研究最近发表在
Nature Communicaions
上
，标题为“
One-step formation of polymorphous sperm-like
microswimmers by vortex turbulence assisted microfluidics
”。香港科技大学电子及计算机工程学系博士后谭蓉博士和研究助理教授杨雄为论文共同第一作者。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49043-0
