北航张德远教授/蔡军研究员团队《ACS AMI》封面：面向靶向给药的生物基磁性多聚体微机器人

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磁性微纳米机器人在生物医疗领域，尤其是靶向药物运输上有着重大的研究价值和应用前景。面向未来精准高效的体内给药，具备良好的生物相容性和可重构性能已成为微纳米机器人所面临的挑战。近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院张德远教授、蔡军研究员团队提出了一种新型的基于小球藻的磁性微机器人，并展示了其在靶向给药方面的巨大潜力，丰富了磁驱动微机器人设计制造新理念，拓展了生物成形技术领域新内涵。相关成果以标题为“Magnetic Biohybrid Microrobot Multimers based on Chlorella cells for Enhanced Targeted Drug Delivery”在ACS Applied Materials & Interfaces上发表，由蔡军研究员作为通讯作者，博士生龚德作为第一作者，并被选为封面论文进行亮点报道。相关研究得到了国家自然科学基金面上项目（51775022）等资助支持。
该课题组选用具备优良生物相容性和天然球形结构的小球藻作为成形模板，通过化学水浴沉积Fe₃O₄纳米颗粒，实现了磁性球型微机器人的批量制造。论文研究了球型微机器人在磁场作用下的自组装-自分解特性，揭示了其在动态磁场下的自组装-自分解机制，研究了磁性多聚体微机器人的双重运动模态与推进性能。以二聚体微机器人为例，其推进速度可以达到107.6 μm/s，约为18倍体长每秒，展现出在低雷诺数流体中的优良推进性能。该磁性球型微机器人可以实现抗肿瘤药物阿霉素（DOX）的高效装载与可控释放，并通过癌细胞体外实验验证了其靶向药物运输及精准抗癌的巨大潜力。 
示意图1 基于小球藻的磁性球型微机器人：（a）制造流程示意图；（b）磁驱重构化及运动推进示意图；（c）靶向抗癌效果示意图。 
图1 磁性球型微机器人物性表征分析及重构化过程：（a）SEM；（b）TEM；（c）EDS；（d）XRD；（e）VSM；（f-g）磁驱动自组装-自分解示意图。 
图2 磁性球型微机器人自组装-自分解过程监测、建模受力分析及切向流仿真。
 
图3 磁性球型微机器人双重运动模态：（a）滚动推进；（b）翻转推进；（c）稳定滚动推进位姿监测。 
图4 磁性多聚体微机器人推进速度测试：（a-d）滚动推进；（e）翻转推进。  
图5 磁性球型微机器人药物装载及可控释药性能：（a）生物相容性测试；（b）载药性能测试；（c）释药性能测试；（d-g）抗癌效果测试。
 
图6 磁性多聚体微机器人体外靶向给药实验

作者简介

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通讯作者

蔡军，北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究员，博士生导师，全国百篇优秀博士学位论文获得者，教育部“新世纪优秀人才”以及国家自然科学基金优青基金获得者。国际仿生工程学会高级会员、中国机械工程学会高级会员，十余个国际学术期刊的审稿人。主要研究方向包括生物成形技术、仿生微纳米制造技术、微流控芯片及智能仿生传感，致力于基于微生物模板的生物制造新方法，在轻质高强电磁吸波材料、柔性导电屏蔽材料等方面做出了一系列开创性工作。已承担或参与了总装探索重大项目、863面上项目、总装共用技术项目、国家自然科学基金优青及面上项目等多项课题。目前已发表包括Adv. Funct. Mater.，Adv. Optical Mater.，ACS Appl. Mater. Interfaces等在内的SCI论文近70篇，授权国家发明专利10余项。

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第一作者

龚德，北京航空航天大学机械工程及自动化学院/高等理工学院联合培养博士生，研究方向为磁驱动微机器人、仿生生物制造技术。

论文信息

De Gong, Nuoer Celi, Deyuan Zhang, and Jun Cai*. Magnetic Biohybrid Microrobot Multimers Based on Chlorella Cells for Enhanced Targeted Drug Delivery. ACS Appl. Mater. Interfaces.

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c16859

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