ACS Nano：用于生物医学领域的可降解多功能微型机器人

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微支架((Microscaffolds))在生物医学领域有着巨大的应用潜力。它具有较大的比表面和多孔的结构，能高效地将治疗剂输送至体内，或作为培养细胞的基质。通过设计，赋予微支架基于多种能源((超声波、磁场、电能、光能等))的运动能力，就得到了微型机器人((Microrobot))。其中，通过外部磁场无线操纵磁性微支架((MMS))能够在体内环境中实现复杂的任务，但目前的MMS使用的材料在体内无法降解，造成了医疗应用中的隐患。另一方面，对于MMS在体内工作情况的实时监测至关重要，但目前的手段和评估多集中于体外和离体实验中，而体内的实时监测，例如X射线成像，则囿于MMS的低密度与高孔隙率从而难以实现。  

针对上述问题，本文作者设计了一种磁性壳聚糖微支架(Mag-C)，由壳聚糖微支架(CMS)与附着其上的磁性颗粒(MPS)组成。通过激光微加工技术，能够精确、快速地将CMS制备得到所需的形状。而使用MPS进行表面修饰，则在保持壳聚糖固有的生物相容性与可降解性能的基础上，又赋予了它磁驱动能力与细胞黏附性能。此外，通过X射线成像与关节镜成像，可直接在体内和离体模型中观察Mag-C的靶向效果。

CMS的孔隙率可以通过冷冻干燥技术进行调节。通过调节乳化处理中冰晶的大小，就使得CMS具有了能够支持大型哺乳动物细胞生长的孔径(>20 μm)。进一步，采用激光微加工技术，将CMS加工为特定形状的微支架(图1a)。为了能够对CMS施加磁响应，作者将Fe₃O₄磁性纳米粒子附着于CMS表面，并用振动样品磁力计(VSM)证明所得的Mag-C具有较好的顺磁性能。

图1. 本文的微型机器人设计与其工作方式示意图

得到的Mag-C具有增强的模量与较好的细胞黏附效果。此外，壳聚糖能够被溶菌酶降解，Mag-C由此具有较好的生物相容性和可降解性能，这在体内实验中得以证实。在皮下种植15天后，组织中Mag-C的尺寸减小，颜色褪去，同时将MPS释放出来。这一过程不会造成炎症反应(图2)。

图2. Mag-C的生物相容性和降解行为评价

进一步，作者以巨噬细胞与间充质干细胞(MSC)为装载细胞，研究了Mag-C作为细胞载体的能力(图3)。结果表明，相比于细胞球与CMS，Mag-C作为载体时细胞活性更高，且表现出增强的细胞粘附。而由于Mag-C具有可加工性能，因此对其进行额外的孔加工，增加相互连接的孔，能够提高细胞的穿透能力。

图3. Mag-C作为细胞培养基质

为了实现对目标疾病的治疗，需要将携带细胞的Mag-C传递至目标部位。针对不同的疾病要求特定的设计。例如对于肝癌的治疗需要Mag-C沿血管移动，此时，选用椭圆形Mag-C能够使其在纵向中具有最快的速度；而对于软骨再生中，只需要在关节腔滑液中移动，所以此时圆形的Mag-C具有最小的速度差异，并且能够递送更多的载细胞Mag-C至缺损部位。利用上述策略，作者在小鼠和猪模型中实现了肝癌的治疗和软骨的再生。

综上，作者设计了一种具有生物可降解性的磁性微型机器人，其具有的大比表面与磁场操纵能力使其在体内外的生物医学应用中具有较大潜力。这此外，对微型机器人的定制设计能够有效提高其应用效果，并拓展适用领域。

该工作以“Multifunctional Biodegradable Microrobot with Programmable Morphology for Biomedical Applications”为标题发表于ACS Nano。本文的通讯作者是韩国全南大学的Chang-Sei Kim、Eunpyo Choi和Jong‐Oh Park教授。

原文链接: 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c07954

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