第一作者：李俊漾、李霄剑

通讯作者：孙东

第一单位：香港城市大学

研究亮点：

1.    设计并制备出具有高细胞运载能力的磁控微型机器人。

2.    利用磁控微型机器人首次实现功能细胞的体内输运及精准递送。

基于细胞的再生医学和精准医疗近年来受到广泛关注。干细胞是一种具有不断增殖和多向分化能力的功能细胞，几乎存在于所有生物组织中。近年来随着科学家们研究的深入，使用干细胞实现多种血液系统、神经系统疾病的治疗逐渐成为可能。然而，传统细胞注射无法实现细胞的精准定点递送，导致注射损耗率高，进而影响治疗效果。因此，如何将功能细胞高效准确运载到体内指定部位，是细胞治疗领域面临的重大技术难题。

基于磁场的磁控微型机器人由于其易于精确定位且对生物组织无害，因而被广泛应用于靶向细胞运载领域。但是，传统方法很难根据不同细胞类型来设计制备三维细胞运载结构。已有结构虽然已在体外递送细胞中展现出一些优势，但人体内环境复杂，目前还没有相关研究从体内角度来设计微型机器人。微型机器人在体内的运作机制并不明确。

鉴于此，香港城市大学孙东课题组报道了开发高细胞负载能力的磁控微型机器人实现在体内运输及精准递送功能细胞的研究。

研究人员基于体内运输环境、细胞附着特性、磁场驱动性能等多方面因素，选择了以梯度磁场驱动作为机器人的驱动方式，采用球形孔状结构作为微型机器人的主体，创造性地引入了刺状突起结构作为细胞的附着点，在保证机器人驱动能力的基础上，极大提高了结构的细胞负载能力。

该微型机器人以SU-8光刻胶作为原材料，利用Nanoscribe 3D激光打印设备成功制备出如图1中所示的微型机器人结构。并在其表面溅射一层金属镍及钛，达到可磁控及增加生物相容性的目的。将其与干细胞及成骨细胞共培养后通过扫描电子显微镜观察发现其很好的负载于磁控微型机器人上。

图1. 设计与制备磁控微型机器人（A）设计图；（B）制备流程图；（C）SEM表征图。

图2. 细胞负载能力研究。

为了验证所设计微型机器人的可驱动性，课题组利用自主设计的磁控操作平台，在多种体液环境下完成体外控制实验。同时，选择斑马鱼作为体内实验对象，将负载有干细胞的微型机器人注射到斑马鱼的卵黄内部，首次实现负载干细胞微型机器人在复杂生物体内的磁场控制（图3）。

图3. 负载细胞的磁控微型机器人在不同体液环境的驱动实验（A）在磷酸盐缓冲液中的驱动；（B）在磷酸盐缓冲液，人工合成脑脊液，老鼠血液的环境下的磁场梯度与速度关系图及（C）运动误差图；（D）在斑马鱼卵黄内驱动；（E）在斑马鱼卵黄内的磁场梯度与速度关系图及（F）运动误差图。

最后，课题组成功在微流芯片及老鼠体内验证了磁控微型机器人的细胞释放能力（图4、图5）。这也意味着人类在不久的将来可以大胆设想将携带功能细胞的微型机器人通过血管注射进入人体，并在磁场的帮助下到达体内指定位置，最终释放功能细胞穿过血管进入组织发挥作用。

图4. 在微流芯片模拟血管中的细胞释放实验（A）芯片设计；（B）细胞释放。

图5. 在裸鼠体内的细胞释放。

这项研究通过对磁控微型机器人的创新结构设计使其具有高细胞负载能力，并利用该机器人首次证实其在体内运输及递送功能细胞方面的新途径。课题组负责人孙东教授表示：“相信其在精准治疗，再生医学，微创手术等领域有着广阔的应用前景“。

参考文献：

J. Li, X. Li, T. Luo, R. Wang, C. Liu, S. Chen, D. Li, J. Yue, S.-h. Cheng, D. Sun, Development of a magnetic microrobot for carrying and delivering targeted cells. Science Robotics 3, (2018)

http://robotics.sciencemag.org/content/3/19/eaat8829

作者简介：

孙东博士目前担任香港城市大学机械与生物医学工程系讲座教授、系主任，及香港城市大学机器人与自动化研究中心主任。孙教授在机器人研究领域成绩斐然，特别在融合机器人与微纳操作技术实现单细胞水平上的细胞操作、诊断和微型手术方面做出了杰出的贡献。孙教授至今已发表15部学术著作和受邀著作章节，在国际期刊和会议上发表了近400 篇学术论文，拥有十项专利，荣获多项最佳论文奖及工业奖项。孙教授作为大会主席组织多个大型国际会议，如世界最大型机器人会议之一的全球机器人与智能系统国际大会（IROS 2019）。孙教授是美国电机与电子工程学会（IEEE）的Fellow，目前还担任国家教育部科技委生物医学学部的学部委员。