实现按需锚定和货物输送, 3D打印多功能水凝胶微型机器人

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202209812

3D科学谷洞察

微型机器人可以在生物流体中导航，并执行广泛的生物医学任务，如显微外科手术、药物输送、生物靶标的分离、生物传感和在单个活细胞内进行操作。微型机器人在生物流体或组织中的运动增加了它们的停留时间，并可进一步增强靶向药物递送。微型机器人在生物医学领域，如药物输送、显微外科手术、成像和监测、组织工程等应用前景广阔。3D打印技术的进步使得这些机器人能够更精准地执行复杂的生物医学任务。”

本研究由德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所的Yun-Woo Lee及其所在团队主导，研究成果发表在《Advanced Materials》期刊上。该论文的主题是开发一种多功能的3D打印水凝胶微型机器人，灵感来源于花粉颗粒，旨在实现按需锚定和货物输送的功能。

随着医学技术的不断进步，微型机器人在靶向药物输送和治疗难以到达的深部病灶方面展现出巨大的潜力。然而，现有的无线微型机器人在生物体内的操作受到多种因素的限制，包括生物组织的复杂性和生物流体环境的多样性。为了克服这些挑战，研究者们提出了一种新型的多功能微型机器人，采用了三种不同的水凝胶材料，分别是嵌入铁铂（FePt）纳米颗粒的五元醇三丙烯酸酯（PETA）、聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAM）和聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸（pNIPAM-AAc）。每种材料都具有特定的功能：PETA用于响应磁场以实现表面滚动和转向，pNIPAM用于温度响应以实现按需表面附着，而pNIPAM-AAc则用于pH响应的货物释放。

在研究过程中，研究团队采用了双光子聚合的3D微打印技术，利用Nanoscribe设备Photonic Professional GT制造出这些微型机器人。通过这种先进的打印技术，研究者们能够精确控制微型机器人的结构和功能，使其能够在生物环境中独立执行多种任务。具体而言，MPH机器人在温度升高时，外壳的pNIPAM材料会收缩，暴露出内部的刺状结构，从而实现对生物组织的可控附着。这种设计不仅提高了微型机器人的附着能力，还使其能够在生物体内灵活移动。

在实验中，研究者们对MPH机器人的附着性能进行了评估，发现其在生物流体环境中能够有效抵抗外部干扰，保持稳定的附着力。通过COMSOL模拟，研究团队估算了微型机器人在生物通道内的升力和阻力，结果表明，MPH机器人在生物通道内的运动速度远低于通道中心的流速，这使得其在附着时能够有效抵抗流体的干扰。此外，研究还表明，MPH机器人的刺状结构在与生物组织接触时，能够提供显著的附着力和摩擦力，尤其是在软生物组织表面，表现出优异的附着性能。

为了实现按需药物释放，研究者们在MPH机器人的内部结构中引入了pH响应性材料pNIPAM-AAc。通过调节pH值，研究者们能够控制药物的释放速度和释放量，进而实现精准的药物输送。这一创新的药物释放机制使得MPH机器人在靶向治疗中具有更高的灵活性和有效性。

总的来说，本研究展示了一种新型的多功能水凝胶微型机器人，具有独特的设计和多样的功能，能够在复杂的生物环境中执行多种任务。通过将不同的刺激响应机制解耦，研究者们成功地实现了微型机器人的运动、附着和药物释放功能的独立控制。这一研究不仅为未来的医疗微型机器人设计提供了新的思路，也为实现更复杂的生物医学应用奠定了基础。随着技术的不断进步，未来的研究可以进一步探索如何优化这些微型机器人的性能，以满足更广泛的临床需求。

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