微纳米机器人因其体积小、可控性高和精确导航能力而成为在微环境中执行生物医学任务的重要工具。然而,由于刚性微型机器人无法变形,在复杂且蜿蜒的狭窄空间(例如血管和肠道)中操纵刚性微型机器人仍然是一个巨大的挑战。
因此,开发高度可控、可变形和环境适应性强的软体微型机器人对于在狭窄的微环境中执行多任务至关重要,但选择高度生物相容性的材料来构建这些微型机器人仍然存在问题。
在《光:科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,暨南大学纳米光子学研究所广东省纳米光子操控重点实验室辛洪宝教授领导的科学家团队开发了一种智能策略来改造微藻(裸藻)gracilis,广泛存在于自然界中)转化为由蓝色LED灯控制的软体生物微型机器人(Ebot)。
这种微藻具有良好的生物相容性和环境适应性,在自然生存状态下可以自由移动、变形,但不具有可控性。
眼点后面的感光器对蓝光极其敏感。因此,研究人员使用中心波长为450nm的蓝色LED灯来控制眼虫。他们发现,在不同的光强度和照射时间下,鞭毛的跳动模式和表皮横模滑动可以通过激活光敏感光器和钙离子通道来控制。
然后,眼虫变成光控软体生物微型机器人(Ebot),具有精确导航和可控变形的能力(图1,左)。这种光控导航和变形使Ebot能够轻松穿过狭窄且弯曲的微通道。
可变形性和对不同环境的高度适应性的特点使得Ebot能够在复杂的微流体通道和肠粘膜等狭窄且多变的微环境中执行不同的生物医学任务。他们成功展示了靶向药物输送和选择性清除肠粘膜病变细胞的任务执行能力(图1,右)。
更重要的是,由于眼虫富含叶绿素,Ebot可以在光线照射下进行光合作用产生氧气。虽然叶绿素可以还原为叶绿素衍生物,但通过使用天然光敏剂在670nm波长的光照射下,可以诱导Ebot对目标区域的癌细胞进行精确的光动力治疗。
这种光控软体微型机器人提供了一种可以执行多项任务的新型生物微型机器人工具,将为未来微型机器人在复杂蜿蜒的狭窄微环境中的生物医学应用开辟新途径。
与传统的化学合成材料微型机器人相比,这种基于微藻的Ebot有很多优点。
研究人员表示,“首先,无需任何化学合成材料,这种Ebot的制造和控制非常容易,我们只需用不同颜色的蓝光LED照射即可控制Ebot(无论是单个Ebot还是多个Ebot)。光强度和持续时间。
“其次,这个Ebot具有变形的特性,这使得它能够穿过复杂而狭窄的生物微环境。”
“由于微藻的光合作用和叶绿素含量丰富,Ebot可以用作天然光动力治疗工具,”他们补充道。