生物混合微藻机器人——设计、制造、材料与应用

  微藻类马达具备许多天然特质，诸如自身推进力，低生物毒性，和表面修饰潜力。因此，微藻类马达及其衍生出的生物混合微藻机器人在生物医学和环境应用下具备独特的优势。加州大学圣地亚哥分校的约瑟夫·王(Joseph Wang)教授，张良方教授及其博士研究生张芳宇等人就微藻机器人的药物输送，成像，水质净化等能力进行了探讨，着重研究了通过化学和物理方式对藻表明上进行修饰的途径，并分析了此类生物混合微藻机器人所具备的优势，未来的前景和挑战。

  传统的微马达依赖于纯合成金属或聚合物材料，以转换化学燃料或外部场效应能量产生推进力。然而，此类合成型微马达具有常规使用的寿命短，驱动和控制设备复杂和昂贵等限制因素。因此，开发具备高效自主运动能力，可控，常规使用的寿命长，低毒性的微型机器人有着重要意义。为满足这些需求，以诸如微藻类的活体细胞作为引擎，可以产生强大的持续性推进力(速度每秒超过自身体长的十倍)。同时具备对环境变化做出一定的反应的应激性。此外，掺入合成组件可赋予生物混合微型机器人独特的特性，例如磁性控制，载药释放，靶向递药。结合了藻类与合成功能单元的生物混合微藻机器人，在各种应用中展示出相当大的前景，比如去除废水中的SARS-CoV-2病毒，或治疗肺部的细菌感染。相关工作见已发表文章（J. Am. Chem. Soc. 2021 143, 12194; Nat. Mater. 2022, 21, 1324）

  藻类用于生物混合微型机器人的制造通常可分为三种类型：一、以莱茵衣藻为例，它们能作为活的驱动元件将ATP转化为机械能，鞭毛驱动以进行自我推进。二、蓝绿藻(也称为蓝藻)，利用光合作用获取能量，并结合磁性纳米颗粒进行外磁场驱动。三、硅藻，由称为视锥体的二氧化硅壳组成，这结构为硅藻提供化学和物理保护，并允许它们在更多中生存具有挑战性的条件。尽管硅藻缺乏鞭毛或其它自驱动能力，但额外的催化材料（如二氧化锰）在燃料（如过氧化氢）的辅助下仍能轻松实现驱动力。

  图A 为莱茵衣藻利用鞭毛推进的示意图；图B为莱茵衣藻在一个摆动周期内的鞭毛形貌，以2毫秒的延时进行拍摄；图C 为藻类移动期间产生的流体动力流；图D为由磁力驱动的功能化螺旋蓝藻；图E为化学催化剂修饰的多级硅藻的推进反应；图F展示了藻类马达所具备的趋光性。

  微藻细胞的形状和大小多样，表面具备丰富的化学官能团，可作为用于连接纳米/微米货物的合适基材。修饰的手法主要是基于三种方法—— 共价键作用、非共价结合、以及包含细胞渗透或封装等其它方法。

  非共价相互作用包括静电相互作用、氢键、疏水相互作用和范德华力，并且通常是可逆的，允许动态和可控的生物系统组装和拆卸。微藻表面具备负电，为带有相反电荷的货物诸如通过层层自组装形成的表面带正电的聚苯乙烯微球提供了结合位点（Adv. Mater. 2018, 30, 1804130）；肽-蛋白质相互作用在细胞中都会存在，通过合成糖肽修饰的聚苯乙烯微粒亦可以与微藻表面紧密结合（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 11963）。

  共价相互作用需要特定的反应条件，使得制造过程相对复杂。但考虑到体内的复杂环境(例如pH值、酶和蛋白降解)，共价相互作用也能够给大家提供更好的稳定性。来源于蛋白质或糖组分的天然官能团（-COOH和-NH2）都会存在于藻类表面，为外源性材料的共价偶联提供了强有力的结合位点。其中，藻表面氨基与外来化学组分（如琥珀酰亚胺）间的连接作用已被大范围的使用在多功能荷载物（包括小分子荧光标记物、蛋白质、纳米颗粒或微粒）的表面连接，从而制备功能化藻类微型机器人。点击化学，因其温和的反应条件已被从而可在水溶液中进行。该策略已被用于将具备生物细胞膜包覆的药物负载纳米粒子或抗生素物直接或间接连接到微藻表面。此类连接方式通常不可能影响藻类自身的趋光性与运动性。(Nat. Mater. 2022, 21, 1324；Sci. Robot. 2022, 7, eabo4160)

  图A. 通过静电将聚苯乙烯微粒附着到藻类表面；图B. 经由肽键将微藻表面与羟脯氨酸修饰的微粒连接；图C. 通过生物素 - 链霉亲和素结合将染料结合的链霉亲和素结合到微藻表面；图D. 利用点击化学将藻表面与ACE2受体连接；图E. 小分子抗生素通过细胞共价键与藻类表面连接；图F. 利用点击化学，将附着了细胞膜的纳米颗粒与微藻表面连接。

  近期，一种温和简便的办法能够将活的小球藻用红细胞（RBC）膜进行包覆，而无需表面处理（Sci. Adv. 2020, 6, eaba5996）。如下图所示，除了表面包覆外，细胞渗透和包封也能轻松实现治疗药物的高负载。细胞穿膜肽已被大范围的使用在输送不可渗透的货物，包括小分子、肽、蛋白质、核酸和纳米颗粒进入细胞(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 13225）。此外，蓝绿藻与磁铁矿涂层结合，通过浸涂法形成了磁性生物混合微游动器（Nat. Commun. 2022, 13, 1413)。

  图A. 红细胞膜通过温和搅拌过夜附着到小球藻表面；图B. 运用细胞穿透肽将小分子和蛋白质渗透入藻类细胞壁；图C. 磁性纳米颗粒浸涂至螺旋藻表面；图D，图E. 把药物（胺磷素（C）和姜黄素（D））加载到螺旋藻通过脱水（冻干）和补液程序。

  基于微藻的机器人已经显示出作为高效活性药物载体的能力，能够方便地将各种治疗药物装载到自驱动微藻表面。与常规游离被动药物的递送相比、载药运动型藻类微型机器人已被证明具有较长的组织停滞时间、可控的药物释放和远程导向等特点，以此来实现更精确的靶向递送。结合其高效的药物负载能力和自然运动能力，基于藻类的微型机器人已被证明在增强传统治疗方面非常有效。

  如下图所示：生物混合微藻机器人在体外的药物递送主要包含抗菌治疗，抗癌细胞治疗以及药物的主动释放。

  图A. 携带有抗生素的微藻马达抑制细菌生长；图B利用趋光性诱导携带了抗生素的微藻马达用于体外灭菌；图C. 通过光裂解接头与阿霉素官能化的微藻，体外药物递送时通过光诱导释放药物查杀癌细胞；图D. 蓝绿藻搭载多柔比星和磁性颗粒，协同光热疗法用于靶向癌细胞药物递送。

  生物混合微藻机器人能够在诸如肺液的多种组织液下运动。故此，携带有抗生素的微藻马达在体内应用的治疗效果和体外具备几乎同等的水准。在Zhang等人的研究中，莱茵衣藻微马达搭载含环丙沙星（Cip）纳米颗粒后，被引入到铜绿假单胞菌感染的小鼠肺部模型中。该研究指出生物混合微藻机器人能有效从肺清除机制中逃脱，留存于肺部的时间明显长于相应的静态藻类对照组。该混合微藻类机器人在肺组织中的长时间滞留有效提升了药物的杀菌效率，从而大幅度降低了动物的死亡率，起到显著的治疗效果。(Nat. Mater. 2022, 21, 1324)

  图A. 用来医治致命细菌性肺炎的微藻马达机器人平台；图B. 由阿霉素修饰的生物混合微藻机器人胶囊平台，胶囊可保护微藻马达通过胃酸到达小肠；图C. 嗜酸绿藻搭载荧光染料纳米颗粒用于特定部位的胃肠道药物输送。

  在药物递送以外，生物混合微藻机器人还具备诸如嵌入水凝胶贴片，为伤口提供氧气促进愈合、利用自荧光或携带荧光染料的纳米颗粒来辅助成像、以及去除环境中的污染物等广泛应用。

  图A. 带有藻类的伤口贴片促进糖尿病慢性伤口愈合；图B. 装载磁性颗粒的微藻马达辅助核磁共振成像；图C. 蓝绿藻搭载光动力和磁性元件的纳米颗粒，用于体内核磁共振成像；图D. 搭载ACE2受体的微藻马达去除水体中的病毒；图E. 利用光引导微藻马达传递货物；图F. 利用声场和磁性微藻马达，运输货物至干细胞。

  约瑟夫·王教授是加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米工程系的杰出教授、SAIC讲座教授，曾担任该系系主任。他同时也是UCSD可穿戴传感器中心主任。约瑟夫·王教授的科研兴趣大多分布在在生物电子学、可穿戴生物传感器和微型机器人领域。他是皇家化学学会（RSC）、美国电化学学会（ECS）和美国医学与生物工程学会（AIMBE）会士，也是美国发明家科学院（NAI）院士和汤森路透高被引研究者（2014-2022）。他曾分别在1999年（仪器类）和2006年（电化学）两次获得美国化学学会奖。王及其研究团队所取得的进展已在1100多篇研究论文和综述中描述，这些论文已被引用超过150,000次，根据Google学术搜索，其H指数为197。通过与张良方教授课题组合作，团队在微纳米马达/微纳机器人领域已发表包括《Nature Materials》、《Science Robotics》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《Advanced Materials》、《JACS》《Angewandte Chemie International Edition》等期刊在内的上百篇文章。

  张良方教授目前是加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米和化学工程系系主任，Joan and Irwin Jacobs校长讲座教授。他的研究旨在创造尖端的纳米仿生技术，并利用其解决人类疾病相关的复杂生物医学问题。研究涵盖仿生纳米药物递送, 生物体内毒素中和，以及疫苗研发技术。张教授于2015年当选为美国医学与生物工程学会（AIMBE）会士，2018年当选为美国科学促进协会（AAAS）会士，2020年当选为美国发明家科学院（NAI）院士，同时荣获汤森路透高被引研究者（2017-2022）。