水凝膠機器人AM：受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人用于靶向藥物遞送

水凝膠機器人AM：受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人用于靶向藥物遞送

LWB

01、導讀

磁性移動微型機器人有望在常規手段難以深入接近的人體部位進行有靶向、可控的藥物輸送和疾病治療。研究人員已經開發了多種基于遠程控制的微型機器人，用于多種醫療應用，如靶向藥物輸送、微創手術和遙感。然而，微型機器人與生物組織的相互作用以及復雜的生物流體環境中應對多種刺激是其未來醫療應用中需要面臨的重要挑戰。科學家為此進行了大量研究，但發現操縱微型機器人往往在人體中受到限制，因為人體由復雜的生理環境和難以計量的功能刺激組成。如果沒有便于區分多重刺激的多功能結構，那么機器人在信號響應時受到的多重刺激往往會相互重疊，導致其喪失部分實質性功能。因此，給機器人設計便于區分各種刺激的多功能結構是至關重要的。

除了上述要求之外，實現機器人對柔軟生物組織的可控附著對于發揮其功能也十分重要。然而，目前微型機器人的設計偏重于轉向和運動，表面形態設計相對簡單，這使其缺乏某些功能，如組織附著能力。受大自然的啟發，人們研究了各種形態結構的生物材料，其中，花粉顆粒由于其獨特的納米穗狀形態和較大的內腔結構，正在成為靶向藥物輸送中粘合劑結構的替代品。盡管開發了受花粉粒啟發的應用材料，但它們的大多數結構是由被動材料或單一響應材料組成后基于天然花粉粒制成的，這限制了它們的功能多樣性。因此，總的來看，微型機器人的設計在滿足區分多重刺激這一條件后，還應該具備三種功能，首先機器人本質的功能是應該具備運動能力，其次還要有出色的對柔軟生物組織的可控附著能力，最后它應該具備主動藥物釋放能力。滿足這三點，是實現成功靶向藥物輸送任務用于疾病診療的關鍵。

02、成果掠影

鑒于此，馬克斯·普朗克智能系統研究所物理智能系Metin Sitti教授團隊展示了一種受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人，用于可控地附著在生物組織上進行靶向藥物遞送。研究人員打印了三維（3D）MPH機器人（直徑120微米），該機器人由用于可控附著的溫度驅動球形外殼、PH響應式藥物釋放球形結構以及帶有尖刺的磁驅動層組成。包裹在機器人體內具有鐵磁性和生物相容性的FePt納米顆粒由外部旋轉磁場驅動和操縱，最高可達到532 μm s^-1的平移速度。此外，該機器人旨在通過溫度響應方法提高外殼的溫度，使聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）的外殼尺寸縮小到49%，從而實現可控附著。最后，研究人員通過向機器人內部引入聚N-異丙基丙烯酰胺丙烯酸（pNIPAM-AAc）來執行PH響應型按需藥物遞送的功能。該項研究開發的受多功能花粉粒啟發的機器人為未來各種醫療微型機器人的設計鋪平了道路，以提高其預測性能和功能多樣性。

相關研究成果以“Multifunctional 3D-Printed Pollen Grain-Inspired Hydrogel Microrobots for On-Demand Anchoring and Cargo Delivery”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

03、核心創新點

1、該研究展示了一種受多功能花粉粒啟發的水凝膠（MPH）機器人，用于可控地附著在生物組織上進行靶向藥物遞送。

2、該機器人旨在通過溫度響應方法提高外殼的溫度，使聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）的外殼尺寸縮小到49%，從而實現可控附著。然后通過向機器人內部引入聚N-異丙基丙烯酰胺丙烯酸（pNIPAM-AAc）來執行PH響應型按需藥物遞送的功能。

04、數據概覽

圖1 受多功能花粉粒啟發的水凝膠 （MPH） 機器人用于靶向藥物輸送和按需組織或其它表面附著 Copyright ? 1999-2023 John Wiley & Sons.

（a）MPH機器人的組成和工作原理示意圖；

（b）一個MPH機器人的制造過程示意圖；

圖2 MPH機器人尺寸可控外殼的溫度響應性 Copyright ? 1999-2023 John Wiley & Sons.

（a）MPH機器人外殼溫度誘導收縮示意圖；

（b）顯微圖像顯示pNIPAM水凝膠的外殼結構隨溫度變化（25-45°C）的實時尺寸變化；

（c）MPH機器人的光學圖像，可控顯示響應溫度的尖峰結構；

（d）收縮率，隨著pNIPAM水凝膠溫度的升高，定義為-(I-I₀)/I₀；

（e）pNIPAM外殼收縮/不收縮循環的重復試驗，無任何劣化；

圖3 具有可控附件的MPH機器人的錨固性能 Copyright ? 1999-2023 John Wiley & Sons.

（a）COMSOL仿真模擬，用于估算在血流中施加在 MPH 機器人上的阻力和提升力；

（b,c）當機器人附著在組織表面時，機器人附近的速度大小及其放大圖像；

（d）沿MPH機器人表面的壓力分布，以及作用在機器人上的阻力和升力；

（e）機器人位于距離血管中心線d處的圖像；

（f）相對于從中心線到機器人的距離，作用在機器人上的阻力和提升力；

（g）機器人尖峰和外殼的拉脫力和摩擦力測量示意圖；

（h）在干燥和潮濕條件下，49 個僅釘型機器人和純殼型機器人在Ecoflex 00-30 硅膠表面測量的拉拔力和摩擦力；

（i）49個全釘機器人和全殼機器人對豬腸的拉力和摩擦力；

（j）釘型和殼型機器人對硅膠和軟組織附著行為的示意圖；

圖4 FePt納米粒子嵌入式MPH機器人的磁引導運動 Copyright ? 1999-2023 John Wiley & Sons.

（a）MPH機器人的磁驅動和運動示意圖；

（b）FePt納米顆粒的TEM圖像；

（c）FePt納米粒子嵌入MPH機器人的磁滯曲線；

（d）用成人纖維細胞在48小時內用活/死染色法評估MPH機器人的生物相容性；

（e）花粉機器人的細胞活力與不處理相比的量化量；

（f）MPH機器人在玻璃基板上的滾動軌跡；

（g）MPH機器人步出頻率的行為表征；

（h）演示MPH機器人在細胞（HT-29）單層表面上的滾動，沒有任何中斷；

圖5 基于pNIPAM-AAc的MPH機器人PH響應球形結構 Copyright ? 1999-2023 John Wiley & Sons.

（a）PH變化介導的藥物釋放示意圖；

（b）顯示PH響應球形結構的光學圖像；

（c）球形圖案pNIPAM-AAc水凝膠的溶脹率隨PH值的變化；

（d）球形結構中pNIPAM-AAc內載物膨脹循環對PH值變化的響應試驗；

（e）PH介導的結構腫脹驅動藥物從MPH機器人釋放；

（f）封裝藥物的MPH機器人的熒光圖像顯示了PH刺激的腫脹行為的發生，從而實現藥物釋放；

05、成果啟示

綜上所述，該研究提出了一種通過3D打印制造受多功能花粉粒啟發的水凝膠機器人的策略，以增強其在生物/生理環境中的功能多樣性。由pNIPAM制成的溫度響應外殼通過49%的外殼收縮來控制微型機器人的附著。此外，由PETA和FePt納米顆粒制成的花粉顆粒內結構顯示出更好的附著性能和沿生物表面受磁性引導的運動能力。由pNIPAM-AAc組成的內球結構通過PH引起的腫脹從而釋放藥物。這里提出的工作將是一個基礎，以擴大人們設計各種醫療機器人和設備的視野，從而設計出更多的多功能機器人在人體內幫助醫生進行生物醫學治療。

文獻鏈接：Multifunctional 3D-Printed Pollen Grain-Inspired Hydrogel Microrobots for On-Demand Anchoring and Cargo Delivery，2022，https://doi.org/10.1002/adma.202209812）

本文由LWB供稿。