中國(guó)學(xué)者制備磁控人造纖毛，具備生物相容性和異步可編程性

小纖毛普遍存在于自然界里，比如在水生生物和人體中，是一種微小的毛發(fā)狀細(xì)胞突起。其長(zhǎng)度一般在 1 至 30 微米之間，在低雷諾數(shù)（用于表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)）范圍內(nèi)的跳動(dòng)頻率為幾十赫茲。

它們具有十分強(qiáng)大的功能，比如自清潔、食物捕獲、腦脊液運(yùn)輸、卵細(xì)胞遞送等，對(duì)包括人類在內(nèi)的許多生物系統(tǒng)的生存和健康來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

在對(duì)天然纖毛的功能進(jìn)行探索的基礎(chǔ)上，來(lái)自德國(guó)馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所的團(tuán)隊(duì)，制備了一種磁控人造纖毛（Magnetic artificial cilia，MAC）。

【資料圖】

具體來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)基于硬磁性鐵鉑合金材料和絲素水凝膠材料，采用雙光子聚合技術(shù)和磁性操縱技術(shù)，直接 3D 打印出具有生物相容性和異時(shí)可編程性的 MAC 陣列。這種人造纖毛的長(zhǎng)度與天然生物纖毛的長(zhǎng)度非常接近，整體尺寸大概在 20 微米左右。

他們對(duì)制備出的纖毛的磁性、力學(xué)和生物學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)這種纖毛表現(xiàn)出了穩(wěn)定的致動(dòng)性能、耐高溫性和高機(jī)械耐久性，能夠在可編程微流控系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程和生物相容性植入物等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

舉例來(lái)說(shuō)，在微流控領(lǐng)域，MAC 可以用來(lái)傳送包括生物流體在內(nèi)的微流體，并通過(guò)操控微流體，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的捕捉和特定細(xì)胞的分離等生物細(xì)胞方面的研究。

" 我們?cè)谖磥?lái)想要開發(fā)一種對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行操作的技術(shù)，這有助于在人體早期發(fā)病時(shí)，就檢測(cè)出其是否有罹患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。" 德國(guó)馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所洪堡學(xué)者表示。

圖丨張帥重（來(lái)源：）

同時(shí)，在水生生物表面附著的小纖毛，能夠發(fā)揮在水面浮游的功能。在這方面，該團(tuán)隊(duì)想利用 MAC 來(lái)制造可以浮游的微型機(jī)器人。

此外，由于小纖毛的正常運(yùn)行，是人體諸多基本功能得以完成的前提條件，比如人體肺部以及呼吸道內(nèi)所分布的纖毛決定了人體是否可以有效地清除掉含有病毒與細(xì)菌的粘液，這是防止人們受到感染的最重要環(huán)節(jié)之一（纖毛損失可導(dǎo)致慢性呼吸疾病 - 囊性纖維化癥）；人類胚胎時(shí)期的纖毛決定了包括心臟在內(nèi)的多個(gè)器官在人體內(nèi)的位置分布（纖毛損壞可導(dǎo)致器官錯(cuò)位，比如導(dǎo)致心臟位于人體右側(cè)，而非正常情況下的左側(cè)）。因此他們也想通過(guò)對(duì)可植入式人造纖毛的研究，助推相關(guān)疾病的治療。

圖丨可編程 MAC 陣列的制造（來(lái)源：Science Advances）

2023 年 3 月 22 日，相關(guān)論文以《具有異步可編程性的 3D 打印微米級(jí)無(wú)線磁性纖毛》（3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability）為題在 Science Advances 上發(fā)表 [ 1 ] 。

、西北工業(yè)大學(xué)胡星浩教授和馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所洪堡學(xué)者李朦為該論文的共同第一作者，馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所梅廷 · 斯蒂（Metin Sitti）教授擔(dān)任該論文的通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）

據(jù)介紹，2019 年他博士畢業(yè)于荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)，2021 年獲得德國(guó)洪堡基金會(huì)的資助，以洪堡學(xué)者的身份來(lái)到馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所開展博后研究，師從國(guó)際著名微小尺度機(jī)器人先驅(qū)斯蒂教授。

他剛加入斯蒂教授課題組，便開始了對(duì)小纖毛的研究。在對(duì)光驅(qū)、電驅(qū)等小纖毛的各種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了研究之后，該課題組決定采用磁場(chǎng)作為無(wú)線驅(qū)動(dòng)刺激。

" 這種方式能讓小纖毛在瞬間對(duì)外界磁場(chǎng)做出響應(yīng)，具有良好的可控性。并且，由于我們想將小纖毛主要用于微流控領(lǐng)域，就必須確保驅(qū)動(dòng)方式和該領(lǐng)域生物研究方向所用的液體之間，不會(huì)產(chǎn)生電解等副作用，而磁性驅(qū)動(dòng)也正好符合我們的要求。" 解釋說(shuō)。

此外，同樣需要說(shuō)明的是，他們一開始選用的材料并不是鐵鉑這種金屬磁性材料，而是鎳鐵材料。但由于后者作為軟磁性材料無(wú)法產(chǎn)生磁場(chǎng)，且可編程化較低，這才改用鐵鉑材料。

但是，鐵鉑的比例和鐵鉑合金的薄膜厚度，也會(huì)對(duì)磁性材料的磁性產(chǎn)生重要影響，所以他們?cè)诩庸よF鉑雙面球材料的過(guò)程中，用了近三個(gè)月時(shí)間，才生產(chǎn)出比較合適的鐵鉑雙面球。

圖丨 MAC 的磁性、機(jī)械和生物性能表征結(jié)果（來(lái)源：Science Advances）

那么，他們又為什么要采用 3D 打印這種加工方式呢？

這是因?yàn)椋麄兯褂玫碾p光子 3D 打印機(jī)，具有非常高的分辨率，可以達(dá)到納米級(jí)別，這正好與天然纖毛的正常尺寸相近。同時(shí)，他們還可以打印任意二維或三維的 MAC 陣列，并產(chǎn)生可控的二維或三維的流場(chǎng)，這是之前的人造小纖毛無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

目前，該團(tuán)隊(duì)只是采用了絲素水凝膠和磁性材料來(lái)制備小纖毛。未來(lái)，他們還計(jì)劃與材料領(lǐng)域的研究者們合作，用多刺激響應(yīng)的材料制備人造小纖毛，以實(shí)現(xiàn)可編程化程度更高、響應(yīng)速度更快、更接近天然小纖毛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

" 小纖毛對(duì)于決定人體是否能夠正常生存來(lái)說(shuō)非常重要，我希望它能夠得到更多科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注。" 說(shuō)。

參考資料：

1. S., Zhang, X., Hu, M., Li. et al. 3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability. Science Advances 9 12（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9462

運(yùn)營(yíng) / 排版：何晨龍