眾所周知，精子（俗稱小蝌蚪）指的是男性或其他雄性生物的生殖細胞，與卵子結(jié)合時形成受精卵，進而發(fā)育為胚胎，其形狀與一般細胞有很大差異。各種動物的精子可以分為典型和非典型兩類，典型的一般為蝌蚪狀，頭部近圓柱形（各種動物不盡相同），尾部細長，如鞭毛。
研究發(fā)現(xiàn)，利用微型機器人進行微創(chuàng)外科手術(shù)和靶向治療時，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，需要這些機器人克服以下障礙：
（1）在外部刺激（超聲等）影響下進行可控的運動；
（2）通過醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)進行定位時提供相對較高的對比度-噪聲比；
（3）將東西運送到所需位置；
（4）需由具有一定生物相容性的元素組成。
在使用精子細胞的生物混合方法中，活動細胞被捕獲在微管中，細胞向流體施加推進力，而微管則提供了磁偶極子來進行方向控制。此外，精子微馬達還可以將抗癌藥物局部遞送給癌癥球體。因此，新型的微型智能機器人或?qū)⒂行Э朔鲜鰡栴}。
基于此，德國德累斯頓技術(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）等人報道了一種由精子為模板的生物混合型磁性微型機器人，該機器人是由非運動性牛精細胞和磁性氧化鐵納米顆粒通過靜電自組裝來構(gòu)建的。將生物實體整合到微型機器人中，除形狀模板化外，還具有容易吸收化學(xué)治療劑以實現(xiàn)靶向藥物遞送等優(yōu)勢。利用一步靜電自組裝技術(shù)來制IRONSperms，模仿運動精子細胞運動的軟磁微泳。
其中，電子顯微圖顯示了100 nm氧化鐵顆粒附著在細長的牛精子細胞的頭部、中間片、主要片和遠端。實驗和理論預(yù)測表明，在8 Hz的激發(fā)頻率和45°角度下，IRONSperms的運動速度超過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，同時為磁驅(qū)動和可控鞭毛推進提供磁矩。納米顆粒涂層改善了有機體的回聲性，并可以通過超聲圖像進行定位，而有機體中裝有藥物并使用受控磁場沿參考軌跡可控地操縱。此外，作者還確認(rèn)了這些微型機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、可控性和可檢測性生物雜交工具的能力。
【圖文解析】
IRONSperms由外部磁場在納米顆粒聚集體位置施加的彎矩驅(qū)動。這些彎矩引起行波，從頭部傳播到遠端，產(chǎn)生凈推力將IRONSperm向前推動。因此，鞭毛的柔性是實現(xiàn)波傳播所必需的，并通過允許樣品停留在表面上進行測試。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中所示的運動是由于（1）IRONSperm在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下發(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。
在每個頻率處，整個波形的最大振幅被測量為運動包絡(luò)線之間的垂直距離，如圖3左圖的虛線所示。在f=3 Hz時，最大振幅測量為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時按比例縮小并分別減小至23和18 μm。因此，作者將IRONSperm推進歸因于沿著其柔性鞭毛的行波。圖3還顯示了在3≤f≤11 Hz的致動頻率范圍內(nèi)，基于測得的波形，沿著鞭毛計算出的切線角。
類似精子細胞，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用于推動IRONSperm運動。而螺旋鞭毛波，具有錐角（αm）的周期性平面外場使磁頭能夠跟隨有限的球面度。根據(jù)磁化分布實驗和測得的磁性能，將每個段的測得磁化強度輸入到流體動力學(xué)模型中。在f=1?Hz和α=15o時，隨時間變化的鞭毛變形，傳播波的最大振幅為2 μm，產(chǎn)生的凈推力忽略不計。對于f=1 Hz和α=30°，觀察到了類似的響應(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，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IRONSperms。因此，相對較大的錐角將使傳播波的振幅最大化并增強推進力。
雖然納米顆粒聚集體覆蓋了約51%，但是IRONSperms和運動性精子細胞的鞭毛推進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。首先，在連續(xù)拍周期內(nèi)測量隨時間變化的尾巴變形，并測量頭部和遠端的振幅。與頭部相反，遠端的振幅從t=0 s時的21.2 μm減小到t=13 s時的7.9 μm。在試驗中，平均運動速度測得為10.8 μm/s。遠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)生不對稱形狀變形。
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