Science Robotics：干細(xì)胞移植用磁驅(qū)動微型機(jī)器人

來源： EngineeringForLife

導(dǎo)讀：干細(xì)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(xì)胞精確地遞送至靶組織。磁性致動的微型機(jī)器人促進(jìn)在流體環(huán)境中干細(xì)胞移植和可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如神經(jīng)接口和細(xì)胞/藥物遞送。由于其體積小，可以通過磁場驅(qū)動。微型機(jī)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(yùn)動的微型機(jī)器人。

近期，DGIST DGIST-ETH微型機(jī)器人研究中心和DGIST機(jī)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(jī)器人促進(jìn)了移植干細(xì)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(jī)器人，并評估了它們利用磁運(yùn)動進(jìn)行3D培養(yǎng)和干細(xì)胞遞送的可行性。這些結(jié)果證明了使用微型機(jī)器人在各種體外，離體和體內(nèi)生理流體環(huán)境中進(jìn)行靶向干細(xì)胞運(yùn)輸和移植的可行性。

首先，研究人員對微型機(jī)器人進(jìn)行了制造與表征。他們使用3D微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)設(shè)計和制造了微型機(jī)器人。使用支架型微型機(jī)器人，在該支架上可以在3D模式下培養(yǎng)和分化細(xì)胞，并可以根據(jù)目標(biāo)細(xì)胞的大小和特征定制孔隙率。微型機(jī)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(jī)器人在施加旋轉(zhuǎn)磁場時表現(xiàn)出推進(jìn)和3D螺旋運(yùn)動，其推進(jìn)效率高于被磁場梯度拉動的推進(jìn)效率。

圖1 微型機(jī)器人的制造和磁驅(qū)動。（A）微型機(jī)器人的示意圖。（B）微型機(jī)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(jī)器人的布局。（D）制成的圓柱形，六面體，螺旋和球形微型機(jī)器人的SEM圖像。比例尺，40μm。（E）微型機(jī)器人的三種推進(jìn)機(jī)制。（F）圓柱形和六面體微型機(jī)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(jī)器人。比例尺，500μm。（G）使用螺旋和球形微型機(jī)器人編寫B(tài)MR軌跡。比例尺，1mm。

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

圖2 在微型機(jī)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(jī)器人進(jìn)行靶向細(xì)胞遞送的可行性，我們在BoC中操縱了裝有人類大腸癌（HCT116）細(xì)胞的微型機(jī)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(xì)胞的微型機(jī)器人引入BoC，并在旋轉(zhuǎn)磁場的控制下通過肝臟MT后到達(dá)腫瘤MT。微型機(jī)器人上的HCT116細(xì)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(jī)器人的運(yùn)動過程中，細(xì)胞活力沒有顯著降低。

圖3 使用BoC中的微型機(jī)器人進(jìn)行靶向細(xì)胞遞送

接下來研究人員在腦血管中對微型機(jī)器人進(jìn)行離體操作。螺旋和球形微型機(jī)器人分別由3D螺旋運(yùn)動和滾動運(yùn)動推進(jìn)，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(jī)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(jī)器人到達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)器人的位置控制。比例尺，500μm。

最后，研究人員利用微型機(jī)器人進(jìn)行了體內(nèi)干細(xì)胞運(yùn)輸。在微型機(jī)器人上培養(yǎng)hTMSC，并在裸鼠的腹膜腔內(nèi)對其進(jìn)行操作。之所以使用裸鼠，是因為它有助于IVIS對微型機(jī)器人的定位。這項體內(nèi)實驗顯示了使用微型機(jī)器人進(jìn)行干細(xì)胞和細(xì)胞簇遞送的可行性。微型機(jī)器人攜帶的干細(xì)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(xì)胞，骨細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞以用于治療目的。

圖5 使用磁性微型機(jī)器人的體內(nèi)MSC運(yùn)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(jī)器人的靶向細(xì)胞遞送，該網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的基于靜態(tài)2D細(xì)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(jī)器人執(zhí)行目標(biāo)細(xì)胞遞送。

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