生物相容的微游动和生物细胞。鸣谢:斯里达尔等人近年来，科学家们已经推出了各种形状和大小的机器人。其中包括微型游动器，这是一种精心设计的微结构，可以在水和其他液体中运动。微型游泳器可能有许多有趣的应用，例如允许医生将药物输送到人体内的目标区域，或者科学家将特定物质引入水基环境。虽然这些机器人系统中的一些取得了显著的成果，但发现它们中的大多数不能有效地在人体内移动。
马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)的研究人员最近开发了新的光驱动微型游泳器，可能更适合在包括体液在内的生物系统中导航。发表在《科学机器人学》上的一篇论文中介绍了这些微球，它们是基于二维(2D)氮化碳聚(庚嗪酰亚胺)或PHI的简单微粒。
“我们的研究是因为需要一种生物相容的有机材料，可以用作光驱动的微型摄像头，”进行这项研究的研究人员之一瓦伦·斯里达尔告诉TechXplore。“我们的目标是构建一种生物相容的有机微游泳体，它可以在含盐的生物介质中游泳，因此可以以智能的方式按需输送药物。”
斯里达尔之前进行了其他研究，探索光驱动微游动系统(即对可见光有反应的微游动系统)的潜力。他与马克斯·普朗克固态研究所的研究员菲利普·波德亚斯基(Filip Podjaski)合作，通过使用不同的材料来制造它们，然后测试它们的性能，开始尝试验证和改进它们的推进机制。
最初，MPI-IS的团队研究了二氧化钛和一氧化碳，但后来他们尝试使用有机光转换材料。他们发现后者特别有前途和有效，并开始探索阻碍微型游泳者总体性能的挑战，其中大多数与阻碍推进的离子的存在有关。
“由于我研究的氮化碳材料在离子存在下表现出增强的特性，例如推进所需的能量转换催化，离子泵送，以及离子辅助的内在充电带来的特性变化，我们决定研究它们以克服该领域的一些限制，并且它的效果非常好，”Podjaski告诉TechXplore。“然后，我们在研究中添加了不同的氮化碳系统，这些系统与离子的相互作用不太明显，以更好地理清这里发生的事情(即，纯多孔性赋予了什么属性，我们的微螺旋颗粒实际上是海绵结构)，以及内在的‘离子相互作用’(与盐离子，如Na+或K+的物质相互作用，这在所有生物液体中都存在)。”
斯里达尔、波德亚斯基和他们的同事开发的新型光驱动微型游泳器是由一种叫做氮化碳的有机材料制成的，这种材料具有光催化特性。这意味着当光照射到材料上时，它被吸收并产生电荷，这些电荷被用来驱动化学反应。
“电荷与生物液体发生反应，这种反应与粒子周围的电场相结合，使微型游泳者游泳，”斯里达尔解释说。“当光线照射到碳氮化物PHI上时，它也可以存储电荷，表现得像太阳能电池一样，这也可以用来增强它们的药物输送性能。”
研究人员使用的PHI材料可以以类似于太阳能电池的方式吸收光能。然后，这种能量被用来推动每个粒子，使其在流体中运动。基本上，粒子的推进依赖于发生在它们表面的催化反应。
Podjaski说:“这种被称为‘光催化’的过程正在被研究，并被用于将太阳能直接转化为化学能。”“碳氮化物是非常有效的光催化剂，因此它们也是良好的光驱动‘游泳者’。此外，它们的合成非常简单和便宜，因为它是基于丰富的有机前体，例如尿素(例如，来自尿液)。)，使它们成为非常有前途且可广泛获取的材料。”
为了推动粒子，研究人员依赖于驱动力(即，光使光催化)和对称打破，这将它们推向特定的方向。因此，他们用手电筒照亮球体的一半，让另一半保持黑暗，在两面产生梯度反应。最后，由于游泳运动员被设计成在液体中引入，该团队确保推进力比周围环境的“减速”更强。
“水中的盐离子是一个大问题，因为它们会破坏粒子周围的推进力场，”Podjaski说。“我们发现，原则上，使离子流通过粒子足以克服这种强烈的‘减速’。显然，我们的特殊氮化碳PHI的内在离子相互作用增强了这种离子耐受性，因为通过颗粒的流动被“加速”"
在最初的实验中，研究人员展示了微游动器在低到中等浓度的液体中的有效移动，如生物有机体中的液体，以及高盐度的水，如死海的水。这些发现表明，游泳者最终可以用于在人体内和其他生物系统中输送药物。
斯里达尔说:“微型游泳器对体内的环境条件也很敏感，可以通过光或pH值的变化来释放药物。”“光触发释放对缺氧环境也很敏感，如癌细胞周围的缺氧环境。因此，微型游泳者可以在癌细胞附近更有效地释放药物，最终有效地杀死它们。”
未来，研究人员计划在真实的生物环境中测试他们创造的微型游泳器，如细胞培养物、体液或海水。为了制造可以在这些环境中移动的微型推进器，研究人员以前不得不引入有毒添加剂作为推进燃料。这种在海水和体液中自然移动的能力可能会使这些微型游泳者真正具有革命性。
Podjaski说:“虽然我们迄今为止只在活体外测试了它们，但我们的氮化碳颗粒是生物相容的，似乎不会产生免疫反应。”此外，当被可见光照射时，它们保持所有的特性，不会降解。这不是设计出来的，显然是采用本身非常稳定的有机材料的自然结果(即，不允许与细胞体成分发生自发的化学反应)。”
虽然过去有许多研究对亚硝酸碳进行了研究，但斯里达尔、波德亚斯基和他们的同事是第一批展示其作为在生命系统中运行的微游动分子的潜力的人。此外，他们使用的颗粒具有海绵状结构，包含许多孔隙和空隙，这意味着它们可以很容易地浸泡在大量的药物中。值得注意的是，研究小组发现化疗药物阿霉素仍然与颗粒紧密结合，但它可以很容易地在目标位置释放，只需改变pH值或在颗粒上照射光线。这也适用于其他药物。
“对于没有任何特殊封装的我们固有的多孔颗粒，这根本不会自己发生，”Podjaski说。“抗癌药多柔比星的有效期超过一个月。对于靶向单个位点并在所需时间发挥作用的药物输送来说，这是一个基本的、非常新颖的观察结果。”
过去推出的用于药物输送的微型游泳器依赖于“人造胶囊”，这种胶囊旨在填充药物并输送到体内的特定位置。然而，制造这些胶囊既复杂又昂贵。相比之下，研究人员使用的颗粒便宜，有机，并且设计成海绵状，直接与药物或其他物质结合。这意味着它们更容易大规模实施。值得注意的是，与过去使用的其他材料相比，它们还可以装载更多的药物(即，其自身质量的185%)。
“这些机制以前已经被使用过，它们是有用的，但只是部分有用，因为真正的aidic条件只在胃中发现，光也是推进所需要的，所以药物然后被完全释放，这不是超级控制的，”Podjaski说。“我们发现和预期的真正令人惊讶的事情是，我们的微型游动器可以从本质上感知或诊断缺氧环境(癌细胞自然产生的一种情况，称为缺氧)——然后在光照下促进负载药物的释放。”
这组研究人员创造的微型游泳器是“无刺激的”，这意味着它们可以同时具有诊断和治疗功能。它们的运作机制模仿了神经元的运作机制，神经元能够感知周围环境，并将信息传递给身体的其他部位。
Podjaski补充说:“我们展示的所有特性都可以使用一种材料，无需对其进行修改，定制其源功能以使其具有生物相容性，无需添加人工药物胶囊，也无需检测pH值或氧气含量的传感部件。”“在微米尺度(1/1000毫米，1/100根头发)上进行工程设计目前在技术上是不可能的，因为它既昂贵又复杂。我认为我们工作的真正美妙之处在于，我们的微型游泳器使用了一种非常便宜、易于制备的材料，这种情况自然发生。”
最终，这项最近的研究可能会激发人们开发出更便宜的可以在生物环境中导航的微型机器人。这种游泳器在输送药物或介入光线可以到达的身体特定部位(如皮肤、透明组织或眼睛内部)方面特别有价值。这些新型多孔有机材料与传统的无机微型机器人的结合也可以实现新的功能。
“当红外(IR)激活(我们正在努力)，近皮肤应用将工作，”斯里达尔说。“像眼睛这样的透明组织将会起作用，并且药物在胃中的输送将会很容易。他们也可能对所有类型的癌症或使用培养皿的生物医学实验室研究感兴趣，在那里人们研究药物对细胞的作用。”在这些情况下，离子耐受性是必须的，因为所有细胞都需要这样的环境才能生存和运行。"
除了将药物输送到人体内，微型游泳器还可以帮助将特定物质引入湖泊或海洋。例如，游泳者可以被部署在濒危的自然环境中，以治愈特定的动物物种或消灭有害的有机体。
“现在我们已经有了一个如何让光驱动的微游动器在真实的生物条件下移动的蓝图，我们希望在此基础上进行扩展，制造出可以在红光下游动的光驱动的微游动器。斯里达尔说:“这样，它们就能渗透到皮肤和组织的更深处，为微型游泳器提供动力。”。
为了使他们的微型游泳器更容易引入人体和其他生物环境，研究人员现在计划使它们对红外光具有活性。这将允许他们使用红外光来定制粒子的粘附和释放特性。或者，他们可以探索利用磁力调谐它们的潜力，通过使用金属制造混合结构。
“我们的微型游泳机器人的充电、传感和响应特性也为‘智能微型机器人’开辟了全新的应用，”Podjaski说。“我们接下来的研究也将探索这些，因为它们可能会实现非常简单的‘神经形态动作’，这些动作计划用于下一代计算，但对于现实世界的场景来说根本不先进，特别是在生物学的背景下。这将是遥远的未来，但我们目前正在通过研究新的应用概念和其他材料为我们的研究奠定基础。”
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