研究人員發明利用老鼠運輸幹細胞的微型機器人

工程師造出瞭能在人體內完成各種任務的微型機器人。今天,他們又可以在這些微型機器人的技能清單上加上新的一項瞭:運輸幹細胞。在5月30日發表於Science Robotics上的一篇論文中,研究人員描述瞭在一隻活鼠體內推動一個受磁場控制、攜帶幹細胞的機器人的過程。

身處一個旋轉磁場中,該微型機器人可以旋轉運動或是螺旋前進。由Hongsoo Choi及其團隊在韓國大邱慶北科學技術研究所(DGIST)領導的研究人員還展示瞭他們的機器人在小鼠大腦切片、從大鼠腦中分離的血管以及多器官芯片(multi-organ-on-a-chip)中的移動。

這項新發明提供瞭一種輸送幹細胞的替代方法。幹細胞在醫學中越來越重要。這種細胞可被誘導成幾乎任何類型的細胞,使其成為治療神經退行性疾病(如阿茲海默癥)的理想選擇。

Jin-young Kim(DGIST-ETH微型機器人研究中心的主要研究院,也是這篇論文的作者之一)提到,輸送幹細胞通常需要針頭註射,這會降低幹細胞的存活率,限制其在體內的覆蓋范圍。然而,微型機器人具有精準輸送幹細胞到難以到達的區域的潛力,對周圍組織的損害較小,幹細胞的存活率較高。

微型機器人的優點使得一些研究小組開始在簡單條件下提出不同的設計並進行測試,例如在微流體通道中或是其他靜態環境中。去年香港的一個小組描述瞭一種毛刺狀的機器人,其可以通過活的透明斑馬魚攜帶細胞。

這項新研究提出瞭一種由磁場力驅動的微型機器人,它可以成功通過活鼠攜帶幹細胞。在另外的實驗中,這些細胞分化成瞭多種腦細胞,如星形膠質細胞、少突膠質細胞和神經元細胞,並轉移到多器官芯片的微組織中。Kim提到,總的來說,概念驗證實驗證明瞭微型機器人在人類幹細胞治療中的應用潛力。

這個團隊使用3D激光光刻技術制造機器人,並將其設計成兩種形狀:球形和螺旋形。研究人員利用旋轉磁場,以旋轉運動驅動球形機器人,以螺旋運動驅動螺旋形機器人。研究人員報告說,這些運動方式比簡單的拉力更有效率,也更適合於生物流體。

在動物活體(或人體)中對微型機器人進行導航的大挑戰是如何實現實時可視化。使用fMRI(核磁共振)進行成像是沒用的,因為磁場會幹擾系統。作者們在他們的論文中寫道,“為瞭在活體內精確控制微型機器人,重要的是在其移動時能夠實際觀測到它們。”

這在之前的活鼠實驗中是不可能的,因此研究人員不得不使用稱為IVIS的光學層析成像系統檢查實驗前後微型機器人的位置。 由於IVIS系統的局限性,他們還不得不求助於使用永磁鐵的拉力來導航老鼠體內的微型機器人。

Kim說,他和他的同事正在開發成像系統,使他們能夠實時查看他們的微型機器人在活體動物中的運動。

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