湖南
近日，来自斯图加特马克斯・普朗克智能系统研究所（MPI - IS）的研究团队取得一项令人瞩目的成果，他们成功研发出一种覆盖磁性材料的生物杂交微型藻类机器人，其游泳能力在材料涂层的情况下几乎不受影响，在靶向药物递送等生物医学领域展现出巨大的应用潜力。相关研究成果发表于涵盖广泛材料科学研究的《Matter》杂志。
自然界中，单细胞微藻体型仅 10 微米，却堪称游泳高手，凭借前端两根鞭状结构，能够灵活游动。然而，当在其表面覆盖一层由天然聚合物壳聚糖（增强附着力）与磁性纳米颗粒混合而成的物质后，它们的运动表现会如何？能否在狭小空间内自如穿梭，甚至在类似黏液的高粘性液体中前进？这些问题一直困扰着科研人员。
研究人员发现，以绿藻为基础制造的微型藻类机器人，几乎未受额外负载的影响。藻类依靠类似蛙泳动作的鞭毛，如离弦之箭般向前弹射。即便经过磁化处理并覆盖材料，它们仍能保持每秒 115 微米（约每秒 12 个身体长度）的平均游速。对比之下，像迈克尔・菲尔普斯这样的奥运游泳健将，速度也仅能达到每秒 1.4 个身体长度，而藻类只是单细胞生物，没有腿脚。
该研究的共同领导者，MPI - IS 物理智能部门的比尔居尔・阿科尔波格鲁和萨阿德特・法特玛・巴尔塔奇，早年曾探索基于细菌的微型游泳器在流体空间中的磁控药物递送应用。如今，他们将目光转向微藻，希望通过在单细胞生物表面附着磁性材料，使其能按期望方向游动，进而将微藻转变为微型机器人。
研究人员给微藻细胞涂覆磁性纳米颗粒的过程仅需几分钟，最终十分之九的藻类成功完成覆盖。团队首先在水状稀液中测试微型藻类机器人的游动能力。借助外部磁场，他们能够控制微藻的游动方向。随后，研究人员让机器人沿着微型 3D 打印圆柱体游动，模拟出最大尺寸仅为微藻三倍的高度受限环境。为验证操控效果，团队设置了两种系统，分别利用显微镜周围的电磁线圈和永磁体产生均匀磁场，并反复改变磁场方向。
论文的共同第一作者比尔居尔・阿科尔波格鲁介绍：“我们发现，藻类生物杂交体在 3D 打印微通道中有三种导航方式：回溯、交叉和磁性交叉。没有磁场引导时，藻类常被困住并退回起点；而在磁场控制下，它们游动更顺畅，能够避开边界。磁场引导帮助生物杂交体与磁场方向对齐，这在狭小空间导航中展现出极大潜力，就像是给它们配备了微型 GPS！”
为进一步探究机器人在复杂环境中的性能，研究团队增加了液体的粘度，并再次让微型机器人在狭窄通道中穿梭。萨阿德特・法特玛・巴尔塔奇补充道：“我们想测试机器人在类似黏液环境中的表现。研究发现，粘度会影响藻类生物杂交体的游动，较高的粘度会降低它们的速度并改变前进方式。施加磁场时，机器人会发生振荡，呈之字形前进。这表明通过微调粘度和磁场对齐方式，可以优化微型机器人在复杂环境中的导航能力。”
研究团队表示：“我们希望将这些微型机器人应用于人体组织等高度受限的复杂狭小环境中。此次研究成果为靶向药物递送等应用开辟了新途径，为医学治疗提供了生物相容性解决方案，有望推动生物医学及相关领域的创新发展。”
参考资料：DOI： 10.1016/j.matt.2025.102052
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