彈簧作為能量轉(zhuǎn)換器件，小至鐘表、扭秤，大至汽車懸掛、原子力顯微鏡等均使用彈簧作為其關(guān)鍵部件。在自然界中，細菌和精子等微生物或細胞亦使用它們納米級的彈性菌絲進行傳感、驅(qū)動和捕食，其力感知靈敏度可以精細到納牛乃至皮牛級別的重量。
把彈簧結(jié)構(gòu)運用到微觀世界中，開發(fā)出具備彈性結(jié)構(gòu)的微納器件，是科學(xué)家們長久以來的一大構(gòu)想。然而，納米級器件的小變形可觀測性較差，易造成較大的數(shù)據(jù)誤差。另外，受限于細胞相容性彈性材料的高精度3D加工等難題，研發(fā)出能應(yīng)用于細胞力學(xué)研究的大變形微米彈性器件仍面臨極大的挑戰(zhàn)。
1月4日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所副研究員徐海峰團隊的最新研究成果發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》。研究團隊運用首次構(gòu)建的彈性模量維度4D納米彈性體光刻策略，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)，探測靈敏度達到500飛牛，實現(xiàn)了皮牛力下微米級的形變，并基于此開發(fā)出一系列具有超靈敏度的軟體微米機器人，實現(xiàn)了高精度細胞力學(xué)研究以及細胞的無影響操縱，有望為顯微外科手術(shù)和靶向藥物輸送等精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域提供新方法。
論文截圖
“該項工作啟發(fā)了探索生理、病理條件下分子、細胞和組織的力化生耦合動力學(xué)原理的新途徑。” 中國力學(xué)學(xué)會副理事長、清華大學(xué)生物力學(xué)與醫(yī)學(xué)工程研究所教授馮西橋?qū)υ摮晒u價道。
超靈敏人造彈簧，實現(xiàn)定制化加工
在微觀世界中，一些細胞和微生物使用生物彈簧來執(zhí)行力感知、捕食、驅(qū)動等動作。如果能借鑒微生物和細胞的超靈敏生物力學(xué)特性，研發(fā)出超靈敏的仿生彈性器件，將有助于進行更為精準(zhǔn)的細胞力學(xué)表征，甚至實現(xiàn)細胞的自由操縱，有望運用在精準(zhǔn)醫(yī)療、藥物遞送、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
“細胞力是細胞在執(zhí)行正常生理功能時所產(chǎn)生的作用力，包括細胞的黏附力、遷移力、收縮力、伸展力等，在細胞生長、發(fā)育、分化、運動、損傷修復(fù)等過程中發(fā)揮重要作用。感知和探測細胞力，是超靈敏仿生彈性器件實現(xiàn)相關(guān)功能的重要一環(huán)。器件能探測更低的細胞力，則說明其靈敏度越高。”徐海峰介紹。
傳統(tǒng)用于測算和感知細胞力學(xué)表征的原子力顯微鏡表征方法、流體力學(xué)計算等方法都極容易受到干擾，且數(shù)據(jù)差異很大，無法實現(xiàn)細胞力學(xué)的精準(zhǔn)表征。
對此，研究團隊構(gòu)想了一種微米級別的彈性機器人用以探測更低的細胞力，并自主開發(fā)了超彈磁性光刻膠，構(gòu)建了彈性模量維度的4D納米彈性體光刻策略，制備了迄今最靈敏的人造彈簧系統(tǒng)——皮牛彈簧。
“該系統(tǒng)具有納米級的特征尺寸，它的力感知的靈敏度可以達到500飛牛，這相當(dāng)于單個細胞重力的一千分之一，并且其形變精度超過1 微米每皮牛。”徐海峰說。
這一新型皮牛彈簧支持高度自由的4D光刻加工，可以被定制化加工成任意形狀，同時完美兼容磁性光刻材料，可用于制備各類軟體微米機器人和柔性微米器件，如用于測量精子驅(qū)動力的微米測力計、用于細胞操縱的微米鑷子以及進行自驅(qū)動的微米企鵝和微米海龜?shù)葯C器。
制備系列軟體機器人，助力精準(zhǔn)醫(yī)療
在此前的研究中，徐海峰團隊分別開發(fā)了基于彈簧觸發(fā)的抗癌精子機器人以及抗血栓的精子火車機器人，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米雜志》《德國應(yīng)用化學(xué)》等頂級期刊，被《科學(xué)》《麻省理工學(xué)院技術(shù)評論》以及美國國家廣播電視等多家期刊雜志和媒體報道。然而，這些微米機器人的細胞力感知精度較差，且無法達成細胞的自由操縱。
2017年，徐海峰開始探索超靈敏仿生彈性機器人，并于2020年加入深圳先進院醫(yī)工所，開展磁驅(qū)微米機器人的研究。 “有三四年的時間里，我們面臨最大的困難便是實現(xiàn)彈性體光刻后，機器人穩(wěn)定成型的問題。對此，研究團隊不斷積累研究經(jīng)驗，通過改進光刻膠組成和激光寫入方式，解決了納米級皮牛彈簧的穩(wěn)定成型問題。”徐海峰回憶道。
徐海峰 受訪者供圖
徐海峰（右二）團隊 研究團隊供圖
通過研究團隊構(gòu)建的彈性模量維度的4D納米彈性體光刻策略，研究團隊開發(fā)了一系列細胞應(yīng)用的軟體微米機器人。其中，團隊研發(fā)的微米測力計，實現(xiàn)了對皮牛級細胞力產(chǎn)生微米級的響應(yīng)，在1皮牛作用力下可產(chǎn)生約1微米的形變。極高的靈敏度使之可以在如精子等細胞作用下產(chǎn)生較大變形，可以用于測量包括精子在內(nèi)的物理、化學(xué)和生物復(fù)合等各類微米機器人的泳動力。
而另一款微米夾持器則可以被磁場獨立控制。該器件通過編程磁場模式，可以實現(xiàn)微米機器人翻滾、旋轉(zhuǎn)、夾持、釋放等多自由度運動的解耦控制，實現(xiàn)對特定目標(biāo)物如活體細胞進行夾持和轉(zhuǎn)運。該過程不影響任何如光、熱、離子或pH等細胞外部環(huán)境變化，實現(xiàn)了細胞的無影響操縱。
此外，在驗證實驗中，研究團隊還研發(fā)出仿生軟體微米機器人，該機器人具有集成的彈簧組，通過彈簧對磁場能量的儲存和編程釋放，實現(xiàn)了僅有磁場控制的20微米尺寸的微企鵝和微海龜?shù)能涹w驅(qū)動。
據(jù)了解，基于一系列超靈敏軟體微米機器人的成功探索，徐海峰團隊目前正在開展新型精準(zhǔn)醫(yī)療設(shè)備研發(fā)，并計劃將其逐步應(yīng)用于細胞生物學(xué)及臨床研究，如超精度細胞力學(xué)自動化表征平臺和無干擾細胞操縱平臺等。
“基于該研究，在未來，新型微創(chuàng)甚至無創(chuàng)軟體微米機器人儀器將進一步為細胞力學(xué)研究、體內(nèi)受精以及小腔道內(nèi)血栓清除和神經(jīng)干預(yù)等醫(yī)療任務(wù)提供有效助力。”徐海峰表示。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0
4D納米彈性體光刻策略制備各類軟體微米機器人的示意圖 研究團隊供圖
本文鏈接：超靈敏軟體微米機器人問世！助力精準(zhǔn)醫(yī)療http://www.lensthegame.com/show-11-2115-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會到餡餅，請大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除處理。