Science Robotics：干细胞移植用磁驱动微型机器人

来源： EngineeringForLife

导读：干细胞疗法已成为恢复受损组织或器官最有前景的方法，这种方法需要将细胞精确地递送至靶组织。磁性致动的微型机器人促进在流体环境中干细胞移植和可用于生物医学应用，如神经接口和细胞/药物递送。由于其体积小，可以通过磁场驱动。微型机器人具有医疗优势，如减轻疼痛，感染风险和创伤等，与各种磁场控制系统结合可以开发在生理流体中准确和有效的运动的微型机器人。

近期，DGIST DGIST-ETH微型机器人研究中心和DGIST机器人工程系的Seong-Woon Yu、和Hongsoo Choi发表在Science Robotics杂志上题为“Magnetically actuated microrobots as a platform for stem cell transplantation”的文章，证明了微型机器人促进了移植干细胞的精确靶向。研究人员开发了具有生物相容性的多孔3D微型机器人，并评估了它们利用磁运动进行3D培养和干细胞递送的可行性。这些结果证明了使用微型机器人在各种体外，离体和体内生理流体环境中进行靶向干细胞运输和移植的可行性。

首先，研究人员对微型机器人进行了制造与表征。他们使用3D微机电系统（MEMS）技术设计和制造了微型机器人。使用支架型微型机器人，在该支架上可以在3D模式下培养和分化细胞，并可以根据目标细胞的大小和特征定制孔隙率。微型机器人被磁化，并通过沉积镍和钛层使其具有生物相容性。球形和螺旋形微型机器人在施加旋转磁场时表现出推进和3D螺旋运动，其推进效率高于被磁场梯度拉动的推进效率。

图1 微型机器人的制造和磁驱动。（A）微型机器人的示意图。（B）微型机器人的整体制造过程。（C）圆柱，六面体，螺旋和球形支架型微型机器人的布局。（D）制成的圆柱形，六面体，螺旋和球形微型机器人的SEM图像。比例尺，40μm。（E）微型机器人的三种推进机制。（F）圆柱形和六面体微型机器人被磁场梯度拉动。旋转磁场操纵的螺旋和球形微型机器人。比例尺，500μm。（G）使用螺旋和球形微型机器人编写BMR轨迹。比例尺，1mm。

然后，研究人员对海马NSC进行了体外培养和递送。实验结果表明，72小时后，微型机器人上的NSC分化为星形胶质细胞，少突胶质细胞和神经元；分化的神经元附着在微型机器人支架上并与之缠绕在一起；NSC在螺旋和球形微型机器人上的附着和分化是一致的；且对附着海马NSC的螺旋形和球形微型机器人进行了电磁操纵，表明微型机器人使海马NSC能够进行附着，增殖和分化，以进行干细胞移植。

图2 在微型机器人上的海马NSC的免疫荧光和SEM图像

为了证明在BoC中使用微型机器人进行靶向细胞递送的可行性，我们在BoC中操纵了装有人类大肠癌（HCT116）细胞的微型机器人，模仿了类似于体内体外生理系统的器官网络。将具有附着的HCT116细胞的微型机器人引入BoC，并在旋转磁场的控制下通过肝脏MT后到达肿瘤MT。微型机器人上的HCT116细胞在肿瘤MT上粘附并增殖约42小时。最终结果表明在微型机器人的运动过程中，细胞活力没有显著降低。

图3 使用BoC中的微型机器人进行靶向细胞递送

接下来研究人员在脑血管中对微型机器人进行离体操作。螺旋和球形微型机器人分别由3D螺旋运动和滚动运动推进，并被控制在所需的方向和位置上。为了验证它们在脑室中的体外可控性，研究人员将微型机器人应用于人工脑脊液中的小鼠大脑切片。球形和螺旋形微型机器人到达心室并且可以被操纵从而证实了它们使用适当的成像方式将治疗剂传递到脑室和血管的能力。

图4 离体大脑中微型机器人的磁驱动。（A）脑血管和磁场控制系统的离体模型。（B）用于磁性操作和具有透明血管的固定大鼠大脑的实验装置。比例尺，2毫米。（C和D）在磁操作过程中，透明脑血管中的螺旋形和球形微型机器人的照片。比例尺，200μm。（E）从大脑切片表面到脑室的球形和螺旋微型机器人的位置控制。比例尺，500μm。

最后，研究人员利用微型机器人进行了体内干细胞运输。在微型机器人上培养hTMSC，并在裸鼠的腹膜腔内对其进行操作。之所以使用裸鼠，是因为它有助于IVIS对微型机器人的定位。这项体内实验显示了使用微型机器人进行干细胞和细胞簇递送的可行性。微型机器人携带的干细胞通过体内近红外荧光成像检测。在将hTMSC递送到目标区域之后，可以将其分化为诸如软骨细胞，骨细胞和神经细胞以用于治疗目的。

图5 使用磁性微型机器人的体内MSC运输

研究人员在BoC平台上的体外微器官网络中成功证明了使用微型机器人的靶向细胞递送，该网络比传统的基于静态2D细胞的方法更好地模仿了体内环境。结果提供了一种快速且具有逻辑性性的系统，通过该系统可以使用体内的微型机器人执行目标细胞递送。

论文链接：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.aav4317