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北理工微纳生物操纵团队在微纳机械人与生物医学工程范畴获得主要停顿


北京理工大学智能机械人研讨所黄强传授与王化平副传授的微纳生物操纵团队在微纳机械人与生物医学工程范畴获得主要停顿,1月18日,该研讨功效“面向情况自顺应定位、采样与开释的离子呼应形变微机械人履行器”(Ionic shape-morphing microrobotic end-effectors for environmentally adaptive targeting, releasing, and sampling),以研讨长文(Research Article)情势在线颁发于自然子刊《自然•通信》 (Nature Communications)。该功效初创了以单一可降解生物资料完成微机械人在情况感知下的自形变,从而处理了微机械人在人体等活体封锁情况下停止无创采样、运输、送达与收受接管等一体化功课的困难,这将在癌症等严重疾病精准医疗范畴产生深远意思。

高精尖中间、电机学院黄强传授与王化平副传授为论文通信作者,博士生郑志强为论文第一作者,石青传授、董立新传授等全程到场了研讨使命。北京理工大学是该论文独一完成单元。

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图1 情况感知自形变微机械人在植物体内功课机理表示图及研讨思绪

面临癌症病发率日趋增高的实际,迷信家们一向努力于开辟微机械人代替传统手术,完成无创病理采样、药物精准投放等功效,为患者供给更加宁静、间接、有用的医治体例。今朝,微机械人的活动与形变大多经由进程报酬供给驱能源和形变安慰源遥控完成,全部进程须要及时监测机械人的地位与状况,以便确认什么时候何地发送形变指令展开功课。鉴于人体等活体情况及时监测手腕与反映信息的范围性,开辟具备自立形变功效的智能化微机械人,对有用削减报酬参与、大幅晋升活体功课的可行性与矫捷性具备主要意思。

生物情况感知——让微机械人“智能化”

该团队发明褐藻酸水凝胶在非均一电堆积交联固化后具备差别部分密度,受离子浓度、pH值变更的鼓励可进一步产生交联或分化反映从而堆集部分应变,在全体布局上揭示为形变与开合。因为离子、pH均为人类等活体中自然存在的情况,该发明激起了团队研发具备生物情况感知自立形变微机械人的灵感。

受海星捕食贝类活动进程的开导,团队以该非均一化水凝胶构建了仿海星微机械人,使其柔性触手可以或许在液体情况下以自立形变有用贴合肆意方针的内部表面停止抓取与开释。经由进程非平均电场交联固化,具备差别密度的水凝胶收集被嵌入到仿海星微机械人的褐藻酸单层薄膜布局中,在微机械人进入人体等活体消化体系后,即能感到pH情况(胃pH:1-3、肠道pH:6-8)自立形变。

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图2 仿海星微机械人在pH情况感知下的自立形变(比例尺:500μm)

多模驱动与生物降解——让微机械人“多元化”

仿海星微机械人可仿照海星的多种驱动情势。如经由进程捕获磁性微球,以“搭便车”的情势随磁球在磁场感化下自动活动,或经由进程机械人体内封装磁性纳米资料完成磁驱自动活动。最初,在达到方针地区后,经由进程自立形变调剂姿势完成贴附、送达、采样等差别功课使命。这类由水凝胶单一资料构建的全新微机械人还具备完整的生物可降解性,可以或许处理活体封锁情况下完成功课后的收受接管困难。

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图3 微机械人在自动式、自动式活动下功课(比例尺:500μm)

经由进程有用操纵这类水凝胶收集定制化嵌入战略,团队将来将持续摸索肆意描摹单层自立形变微机械人布局的剪裁手艺,为微机械人仿照生物天下各类软体形变摊平新的途径,为庞杂封锁活体情况下的自顺应紧密生物微操纵供给使能撑持,在将来如心脑血管溶栓、溃疡性结肠炎、肿瘤等病灶药物长效开释等精准医疗与构造修复等方面完成微机械人形状与功效的多元化。


附团队先容:

北理工生物微纳操纵团队依靠电机学院和高精尖中间,面向天下前沿,在微纳机械人、微纳生物制作等方面已展开了一系列研讨,相干功效颁发在Nature Communications,ACS Applied Materials & Interfaces,Lab on a Chip、Biofabrication、IEEE Trans汇刊等国际着名期刊。这次论文以研讨生作为独一第一作者,由本团队与名古屋等国际着名高校结合培育,揭示了团队环绕科技前沿的国际化人材培育情势主动摸索获得阶段性停顿。同时,标明了团队在微纳机械人手艺范畴的研讨在国际上的影响力稳步晋升。

论文下载地点:http://www.nature.com/articles/s41467-020-20697-w



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