本文摘自高分子科学前沿，侵删。
微纳米机器人由于其微纳尺度的尺寸和自主不受约束的运动，在生物医学领域引起了极大的兴趣。同时，基于干细胞的细胞治疗方法具有很广阔的前景，通过调控干细胞的分化和再生来治疗以前无法修复的退行性疾病。为了确保干细胞输送的效率，开发合适且可靠的细胞转运系统至关重要。近年来，以细胞运输为目标的微纳米机器人取得了极大进展，因为其能够在细胞治疗的过程中准确、无创地执行细胞输送这一关键步骤。鉴于此，哈尔滨工业大学马星教授、陈文君研究员、硕士研究生周昊等人在 Advanced Functional Materials 上发表题为“Recent Progress of Micro / Nanorobots for Cell Delivery and Manipulation” 的综述文章，介绍了近年来细胞搬运微机器人的设计、制造技术和驱动机制，讨论了微纳米机器人在细胞操纵和细胞运输中的应用，以及当前细胞搬运机器人从研究阶段到临床应用转化的挑战和未来前景。
1. 细胞搬运机器人的设计与制备
使用非细胞毒性材料作为细胞运输微机器人的组件非常重要，因为活细胞会附着在载体上。有毒物质的任何泄漏或释放都将直接影响负载细胞的生存能力和生物功能。例如，水凝胶中比如如甲基丙烯酸明胶（GelMA），聚乳酸-羟基乙酸（PLGA），金属中例如镁和锌等，天然植物或动物细胞成分也是是合适的候选者。表1总结了细胞搬运微机器人的最新研究成果，包括其材料、结构和相应的制造方法。
表1：细胞搬运微型机器人概述，包括材料、结构、制造技术、推进类型和运输的细胞种类
细胞搬运机器人在设计上有考虑运输单个细胞和多个细胞之分。如图2所示，在早期的研究中，搬运单个细胞的机器人一般采用化学合成的方法制备，在其上吸附单个精子或者单独的癌症细胞从而去完成相应的功能。单细胞操作和运输可以实现将免疫细胞带到疾病区域或分离病毒，但是不足以应用于干细胞的搬运和治疗。
图1：单细胞搬运微纳机器人
在多细胞的培养和运输过程中，3维结构具有出众的优势，有利于细胞的附着和培养，是集群细胞运输的优异选择之一。3D激光光刻技术（3D direct laser writing）非常适合于制备3D结构，可以构建所需的复杂三维结构，而不受几何体的限制。在图2中就展示了利用3D打印技术制备的一些三维多孔结构，打印出这些结构之后又进行了金属的沉积从而获得相应的磁驱动功能等。
图2：3D激光光刻制备的典型3D笼子结构微纳机器人
2. 细胞搬运机器人的驱动控制
目前，大多数驱动方法都是将环境中的外场能或化学能转化为微机器人的动能。根据驱动原理，微型机器人可分为化学、物理和生物类型，如图三所示。在早期的研究中，细胞搬运机器人主要靠化学方式驱动，通过催化周围环境中的燃料，产生气泡去推动微型机器人运动。随着研究的不断深入，磁场因其对人体的高渗透性、精确的可控性、良好的生物相容性、可回收性和多功能性而最有希望用于细胞运输。文中也讨论了外场驱动尤其是磁驱动微型机器人对于细胞的精准运输性能。
图3：由化学反应、物理场和运动生物体驱动的微纳米机器人
3. 细胞搬运微型机器人的应用
对于单个细胞，在细胞外微型机器人可以用于细胞分类，或将单个细胞移动到分析设备中，对单个细胞进行生物化学分析，另一方面，干细胞的转位可以用于疾病治疗。至于单细胞内操作，微纳米机器人通常用于分离细胞或完成任务。在细胞内的应用中，如图4所示，微纳机器人可以用于细胞内基因的转染和蛋白质的分离与提取，甚至可以实现细胞显微手术的功能，在细胞内完成切割分离的外科动作。
图4：微纳机器人的单细胞内与细胞外应用
对于微型机器人多细胞操作来说，纳米制造技术和3D细胞培养的发展使之成为可能。如图5所示，通过荧光成像技术，研究者们成功在体内实验中观测到了细胞靶向输运和定点释放的能力，而且研究者们通过搬运间充质干细胞(MSCs)实现了软骨定点修复, 为未来的临床应用奠定了一定的基础。
图5：细胞运输微机器人的应用
细胞搬运机器人的应用挑战：
1）所用材料的生物安全性。目前所使用的光敏聚合物是制造三维多孔微机器人最广泛使用的材料，但是其生物安全性能仍有待提高。因此，对生物相容性和生物可降解材料的要求很高，这些材料可以用简单的制造方法制造成相对复杂的结构。
2）成像制导系统。由于缺乏实时可视化和定位系统，在体内环境中将含有细胞的微型机器人精确地操作到目标病变部位是困难的。
3）干细胞的装载效率。例如，在临床试验中，为实有效的干细胞治疗通常每平方厘米需要1×10 6到2.5×10 6个干细胞，这个庞大的数字是现有的细胞运输微型机器人难以实现的。
4）干细胞保留时间。由于微机器人上的细胞与靶区组织之间的弱连接，干细胞很容易从病变处脱落，这限制了干细胞的再生和分化时间，因而设计可提供干细胞足够保留时间的微纳米机器也是面向临床应用的重点。
马星研究团队介绍：
本课题组是哈尔滨工业大学（深圳）索维奇智能新材料诺奖实验室的核心研究团队之一，团队围绕生物医用微纳米机器人的结构设计、材料制备改性、及其生物医学诊疗应用开展研究。近年来承担了国家自然科学基金重大研究计划（培育项目）、国自然面上和青年项目，广东省自然科学基金，广东省粤深联合基金，深圳市基础研究重点项目，深圳湾实验室开放课题项目，国家重点实验室开放课题等多个科研项目。团队在包括JACS，AM，ACS Nano,Adv. Funct. Mater.等国际顶级期刊发表了一系列的高水平论文，团队负责人获得了2021年度深圳市青年科技奖。
课题组链接：www.maxinglab.com
来源：高分子科学前沿
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