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          超靈敏軟體微米機器人問世!助力精準(zhǔn)醫(yī)療

          2024-01-13 13:52:07 來源: 中國科學(xué)報

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          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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)。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          論文截圖gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM


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          “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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          超靈敏人造彈簧,實現(xiàn)定制化加工gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          制備系列軟體機器人,助力精準(zhǔn)醫(yī)療gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          徐海峰 受訪者供圖gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM


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          徐海峰(右二)團隊 研究團隊供圖gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM


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          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          “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。gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          相關(guān)論文信息:https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

          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gVF流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM

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