Science Robotics：干細胞移植用磁驅(qū)動微型機器人

來源： EngineeringForLife

導(dǎo)讀：干細胞療法已成為恢復(fù)受損組織或器官最有前景的方法，這種方法需要將細胞精確地遞送至靶組織。磁性致動的微型機器人促進在流體環(huán)境中干細胞移植和可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如神經(jīng)接口和細胞/藥物遞送。由于其體積小，可以通過磁場驅(qū)動。微型機器人具有醫(yī)療優(yōu)勢，如減輕疼痛，感染風(fēng)險和創(chuàng)傷等，與各種磁場控制系統(tǒng)結(jié)合可以開發(fā)在生理流體中準(zhǔn)確和有效的運動的微型機器人。

近期，DGIST DGIST-ETH微型機器人研究中心和DGIST機器人工程系的Seong-Woon Yu、和Hongsoo Choi發(fā)表在Science Robotics雜志上題為“Magnetically actuated microrobots as a platform for stem cell transplantation”的文章，證明了微型機器人促進了移植干細胞的精確靶向。研究人員開發(fā)了具有生物相容性的多孔3D微型機器人，并評估了它們利用磁運動進行3D培養(yǎng)和干細胞遞送的可行性。這些結(jié)果證明了使用微型機器人在各種體外，離體和體內(nèi)生理流體環(huán)境中進行靶向干細胞運輸和移植的可行性。

首先，研究人員對微型機器人進行了制造與表征。他們使用3D微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)設(shè)計和制造了微型機器人。使用支架型微型機器人，在該支架上可以在3D模式下培養(yǎng)和分化細胞，并可以根據(jù)目標(biāo)細胞的大小和特征定制孔隙率。微型機器人被磁化，并通過沉積鎳和鈦層使其具有生物相容性。球形和螺旋形微型機器人在施加旋轉(zhuǎn)磁場時表現(xiàn)出推進和3D螺旋運動，其推進效率高于被磁場梯度拉動的推進效率。

圖1 微型機器人的制造和磁驅(qū)動。（A）微型機器人的示意圖。（B）微型機器人的整體制造過程。（C）圓柱，六面體，螺旋和球形支架型微型機器人的布局。（D）制成的圓柱形，六面體，螺旋和球形微型機器人的SEM圖像。比例尺，40μm。（E）微型機器人的三種推進機制。（F）圓柱形和六面體微型機器人被磁場梯度拉動。旋轉(zhuǎn)磁場操縱的螺旋和球形微型機器人。比例尺，500μm。（G）使用螺旋和球形微型機器人編寫B(tài)MR軌跡。比例尺，1mm。

然后，研究人員對海馬NSC進行了體外培養(yǎng)和遞送。實驗結(jié)果表明，72小時后，微型機器人上的NSC分化為星形膠質(zhì)細胞，少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元；分化的神經(jīng)元附著在微型機器人支架上并與之纏繞在一起；NSC在螺旋和球形微型機器人上的附著和分化是一致的；且對附著海馬NSC的螺旋形和球形微型機器人進行了電磁操縱，表明微型機器人使海馬NSC能夠進行附著，增殖和分化，以進行干細胞移植。

圖2 在微型機器人上的海馬NSC的免疫熒光和SEM圖像

為了證明在BoC中使用微型機器人進行靶向細胞遞送的可行性，我們在BoC中操縱了裝有人類大腸癌（HCT116）細胞的微型機器人，模仿了類似于體內(nèi)體外生理系統(tǒng)的器官網(wǎng)絡(luò)。將具有附著的HCT116細胞的微型機器人引入BoC，并在旋轉(zhuǎn)磁場的控制下通過肝臟MT后到達腫瘤MT。微型機器人上的HCT116細胞在腫瘤MT上粘附并增殖約42小時。最終結(jié)果表明在微型機器人的運動過程中，細胞活力沒有顯著降低。

圖3 使用BoC中的微型機器人進行靶向細胞遞送

接下來研究人員在腦血管中對微型機器人進行離體操作。螺旋和球形微型機器人分別由3D螺旋運動和滾動運動推進，并被控制在所需的方向和位置上。為了驗證它們在腦室中的體外可控性，研究人員將微型機器人應(yīng)用于人工腦脊液中的小鼠大腦切片。球形和螺旋形微型機器人到達心室并且可以被操縱從而證實了它們使用適當(dāng)?shù)某上穹绞綄⒅委焺﹤鬟f到腦室和血管的能力。

圖4 離體大腦中微型機器人的磁驅(qū)動。（A）腦血管和磁場控制系統(tǒng)的離體模型。（B）用于磁性操作和具有透明血管的固定大鼠大腦的實驗裝置。比例尺，2毫米。（C和D）在磁操作過程中，透明腦血管中的螺旋形和球形微型機器人的照片。比例尺，200μm。（E）從大腦切片表面到腦室的球形和螺旋微型機器人的位置控制。比例尺，500μm。

最后，研究人員利用微型機器人進行了體內(nèi)干細胞運輸。在微型機器人上培養(yǎng)hTMSC，并在裸鼠的腹膜腔內(nèi)對其進行操作。之所以使用裸鼠，是因為它有助于IVIS對微型機器人的定位。這項體內(nèi)實驗顯示了使用微型機器人進行干細胞和細胞簇遞送的可行性。微型機器人攜帶的干細胞通過體內(nèi)近紅外熒光成像檢測。在將hTMSC遞送到目標(biāo)區(qū)域之后，可以將其分化為諸如軟骨細胞，骨細胞和神經(jīng)細胞以用于治療目的。

圖5 使用磁性微型機器人的體內(nèi)MSC運輸

研究人員在BoC平臺上的體外微器官網(wǎng)絡(luò)中成功證明了使用微型機器人的靶向細胞遞送，該網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的基于靜態(tài)2D細胞的方法更好地模仿了體內(nèi)環(huán)境。結(jié)果提供了一種快速且具有邏輯性性的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以使用體內(nèi)的微型機器人執(zhí)行目標(biāo)細胞遞送。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.aav4317