實現按需錨定和貨物輸送, 3D打印多功能水凝膠微型機器人
“微型機器人可以在生物流體中導航，并執行廣泛的生物醫學任務，如顯微外科手術、藥物輸送、生物靶標的分離、生物傳感和在單個活細胞內進行操作。微型機器人在生物流體或組織中的運動增加了它們的停留時間，并可進一步增強靶向藥物遞送。微型機器人在生物醫學領域，如藥物輸送、顯微外科手術、成像和監測、組織工程等應用前景廣闊。3D打印技術的進步使得這些機器人能夠更精準地執行復雜的生物醫學任務。”
本研究由德國斯圖加特的馬克斯·普朗克智能系統研究所的Yun-Woo Lee及其所在團隊主導，研究成果發表在《Advanced Materials》期刊上。該論文的主題是開發一種多功能的3D打印水凝膠微型機器人，靈感來源于花粉顆粒，旨在實現按需錨定和貨物輸送的功能。
隨著醫學技術的不斷進步，微型機器人在靶向藥物輸送和治療難以到達的深部病灶方面展現出巨大的潛力。然而，現有的無線微型機器人在生物體內的操作受到多種因素的限制，包括生物組織的復雜性和生物流體環境的多樣性。為了克服這些挑戰，研究者們提出了一種新型的多功能微型機器人，采用了三種不同的水凝膠材料，分別是嵌入鐵鉑（FePt）納米顆粒的五元醇三丙烯酸酯（PETA）、聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAM）和聚N-異丙基丙烯酰胺-丙烯酸（pNIPAM-AAc）。每種材料都具有特定的功能：PETA用于響應磁場以實現表面滾動和轉向，pNIPAM用于溫度響應以實現按需表面附著，而pNIPAM-AAc則用于pH響應的貨物釋放。
在研究過程中，研究團隊采用了雙光子聚合的3D微打印技術，利用Nanoscribe設備Photonic Professional GT制造出這些微型機器人。通過這種先進的打印技術，研究者們能夠精確控制微型機器人的結構和功能，使其能夠在生物環境中獨立執行多種任務。具體而言，MPH機器人在溫度升高時，外殼的pNIPAM材料會收縮，暴露出內部的刺狀結構，從而實現對生物組織的可控附著。這種設計不僅提高了微型機器人的附著能力，還使其能夠在生物體內靈活移動。
在實驗中，研究者們對MPH機器人的附著性能進行了評估，發現其在生物流體環境中能夠有效抵抗外部干擾，保持穩定的附著力。通過COMSOL模擬，研究團隊估算了微型機器人在生物通道內的升力和阻力，結果表明，MPH機器人在生物通道內的運動速度遠低于通道中心的流速，這使得其在附著時能夠有效抵抗流體的干擾。此外，研究還表明，MPH機器人的刺狀結構在與生物組織接觸時，能夠提供顯著的附著力和摩擦力，尤其是在軟生物組織表面，表現出優異的附著性能。
為了實現按需藥物釋放，研究者們在MPH機器人的內部結構中引入了pH響應性材料pNIPAM-AAc。通過調節pH值，研究者們能夠控制藥物的釋放速度和釋放量，進而實現精準的藥物輸送。這一創新的藥物釋放機制使得MPH機器人在靶向治療中具有更高的靈活性和有效性。
總的來說，本研究展示了一種新型的多功能水凝膠微型機器人，具有獨特的設計和多樣的功能，能夠在復雜的生物環境中執行多種任務。通過將不同的刺激響應機制解耦，研究者們成功地實現了微型機器人的運動、附著和藥物釋放功能的獨立控制。這一研究不僅為未來的醫療微型機器人設計提供了新的思路，也為實現更復雜的生物醫學應用奠定了基礎。隨著技術的不斷進步，未來的研究可以進一步探索如何優化這些微型機器人的性能，以滿足更廣泛的臨床需求。
相關文獻及圖片出處
https://doi.org/10.1002/adma.202209812
來源
MNTech微納導航 l 多功能水凝膠微型機器人：基于花粉顆粒的3D打印技術在靶向藥物輸送中的應用
(責任編輯：admin)
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