眾所周知，精子（俗稱(chēng)小蝌蚪）指的是男性或其他雄性生物的生殖細(xì)胞，與卵子結(jié)合時(shí)形成受精卵，進(jìn)而發(fā)育為胚胎，其形狀與一般細(xì)胞有很大差異。各種動(dòng)物的精子可以分為典型和非典型兩類(lèi)，典型的一般為蝌蚪狀，頭部近圓柱形（各種動(dòng)物不盡相同），尾部細(xì)長(zhǎng)，如鞭毛。
研究發(fā)現(xiàn)，利用微型機(jī)器人進(jìn)行微創(chuàng)外科手術(shù)和靶向治療時(shí)，可以降低干預(yù)水平，并將藥物集中在某些位置而降低副作用。但是，需要這些機(jī)器人克服以下障礙：
（1）在外部刺激（超聲等）影響下進(jìn)行可控的運(yùn)動(dòng)；
（2）通過(guò)醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)提供相對(duì)較高的對(duì)比度-噪聲比；
（3）將東西運(yùn)送到所需位置；
（4）需由具有一定生物相容性的元素組成。
在使用精子細(xì)胞的生物混合方法中，活動(dòng)細(xì)胞被捕獲在微管中，細(xì)胞向流體施加推進(jìn)力，而微管則提供了磁偶極子來(lái)進(jìn)行方向控制。此外，精子微馬達(dá)還可以將抗癌藥物局部遞送給癌癥球體。因此，新型的微型智能機(jī)器人或?qū)⒂行Э朔鲜鰡?wèn)題。
基于此，德國(guó)德累斯頓技術(shù)大學(xué)的Veronika?Magdanz和荷蘭特溫特大學(xué)的Islam S. M. Khalil（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種由精子為模板的生物混合型磁性微型機(jī)器人，該機(jī)器人是由非運(yùn)動(dòng)性牛精細(xì)胞和磁性氧化鐵納米顆粒通過(guò)靜電自組裝來(lái)構(gòu)建的。將生物實(shí)體整合到微型機(jī)器人中，除形狀模板化外，還具有容易吸收化學(xué)治療劑以實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送等優(yōu)勢(shì)。利用一步靜電自組裝技術(shù)來(lái)制IRONSperms，模仿運(yùn)動(dòng)精子細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的軟磁微泳。
其中，電子顯微圖顯示了100 nm氧化鐵顆粒附著在細(xì)長(zhǎng)的牛精子細(xì)胞的頭部、中間片、主要片和遠(yuǎn)端。實(shí)驗(yàn)和理論預(yù)測(cè)表明，在8 Hz的激發(fā)頻率和45°角度下，IRONSperms的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)0.2 body length/s（6.8±4.1 μm/s）。所有IRONSperms的特征均在于具有納米顆粒覆蓋的區(qū)域和未涂覆的區(qū)域，這些區(qū)域可確保靈活性，同時(shí)為磁驅(qū)動(dòng)和可控鞭毛推進(jìn)提供磁矩。納米顆粒涂層改善了有機(jī)體的回聲性，并可以通過(guò)超聲圖像進(jìn)行定位，而有機(jī)體中裝有藥物并使用受控磁場(chǎng)沿參考軌跡可控地操縱。此外，作者還確認(rèn)了這些微型機(jī)器人的生物相容性和載藥能力，以及它們作為體內(nèi)靶向治療的生物相容性、可控性和可檢測(cè)性生物雜交工具的能力。
【圖文解析】
IRONSperms由外部磁場(chǎng)在納米顆粒聚集體位置施加的彎矩驅(qū)動(dòng)。這些彎矩引起行波，從頭部傳播到遠(yuǎn)端，產(chǎn)生凈推力將IRONSperm向前推動(dòng)。因此，鞭毛的柔性是實(shí)現(xiàn)波傳播所必需的，并通過(guò)允許樣品停留在表面上進(jìn)行測(cè)試。一旦粘附在表面上，施加磁力就可以觀察IRONSperm的柔性。鞭毛在遠(yuǎn)端位置固定的情況下變形，如圖2C所示。因此，IRONSperm的鞭毛在基于靜電的自組裝后仍保持其靈活性。圖2B中所示的運(yùn)動(dòng)是由于（1）IRONSperm在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下發(fā)生剛體旋轉(zhuǎn)；（2）在撓性鞭毛的作用下沿螺旋鞭毛的螺旋行波引起的。在文中，作者在3≤f≤11 Hz的頻率范圍內(nèi)施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
在每個(gè)頻率處，整個(gè)波形的最大振幅被測(cè)量為運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線之間的垂直距離，如圖3左圖的虛線所示。在f=3 Hz時(shí)，最大振幅測(cè)量為37 μm。在5 Hz和7 Hz的驅(qū)使頻率下，振幅減小到大約30?μm。隨著頻率的增加，觀察到整體波形在9 Hz和11 Hz時(shí)按比例縮小并分別減小至23和18 μm。因此，作者將IRONSperm推進(jìn)歸因于沿著其柔性鞭毛的行波。圖3還顯示了在3≤f≤11 Hz的致動(dòng)頻率范圍內(nèi)，基于測(cè)得的波形，沿著鞭毛計(jì)算出的切線角。
類(lèi)似精子細(xì)胞，IRONSperms顯示平面3D或螺旋3D鞭毛波。在平面鞭毛波的情況下，將約束在平面上周期性磁場(chǎng)用于推動(dòng)IRONSperm運(yùn)動(dòng)。而螺旋鞭毛波，具有錐角（αm）的周期性平面外場(chǎng)使磁頭能夠跟隨有限的球面度。根據(jù)磁化分布實(shí)驗(yàn)和測(cè)得的磁性能，將每個(gè)段的測(cè)得磁化強(qiáng)度輸入到流體動(dòng)力學(xué)模型中。在f=1?Hz和α=15o時(shí)，隨時(shí)間變化的鞭毛變形，傳播波的最大振幅為2 μm，產(chǎn)生的凈推力忽略不計(jì)。對(duì)于f=1 Hz和α=30°，觀察到了類(lèi)似的響應(yīng)，并且振幅為4 μm的傳播波位移為零。當(dāng)f=1 Hz且α=45°時(shí)，傳播波的振幅增加到6 μm，產(chǎn)生了凈推力，以2 μm/s的速度向前推動(dòng)IRONSperms。因此，相對(duì)較大的錐角將使傳播波的振幅最大化并增強(qiáng)推進(jìn)力。
雖然納米顆粒聚集體覆蓋了約51%，但是IRONSperms和運(yùn)動(dòng)性精子細(xì)胞的鞭毛推進(jìn)顯示出良好的相似性。其中，IRONSperms的代表性鞭毛波形，如圖5所示。在文中，作者使用三軸亥姆霍茲電磁線圈以2 Hz的激發(fā)頻率施加周期性磁場(chǎng)。首先，在連續(xù)拍周期內(nèi)測(cè)量隨時(shí)間變化的尾巴變形，并測(cè)量頭部和遠(yuǎn)端的振幅。與頭部相反，遠(yuǎn)端的振幅從t=0 s時(shí)的21.2 μm減小到t=13 s時(shí)的7.9 μm。在試驗(yàn)中，平均運(yùn)動(dòng)速度測(cè)得為10.8 μm/s。遠(yuǎn)端附近的波形幅度幾乎是頭部附近的幅度的兩倍，證明了發(fā)生不對(duì)稱(chēng)形狀變形。
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