АНА МАРИЯ МИХАЛЧА Изготовление магнитных микророботов методом сборки. Рои микророботов и возможные механизмы передачи невакцинированным

Магнитные микророботы привлекли значительное внимание в биомедицинской области из-за их беспроводного приведения в действие, высокой управляемости, быстрой реакции и минимального воздействия на окружающую среду. Поскольку сложность задач при клиническом применении магнитных микророботов продолжает возрастать, в конструкции магнитных микророботов было включено больше геометрических структур и профилей намагничивания, что создает значительные проблемы при изготовлении магнитных микророботов. Микросборка - это метод изготовления, который позволяет создавать сложные структуры с мелкомасштабными модулями. Он может точно контролировать положение и ориентацию каждого магнитного модуля, в результате чего получается магнитный микроробот с произвольной трехмерной геометрией и профилями намагничивания. В этой статье рассматриваются последние передовые методы изготовления магнитных микророботов, основанные на сборке, включая микросборку, приводимую в действие контактными механическими силами и бесконтактными полевыми силами. Вкратце описаны принципы, процессы изготовления, а также преимущества и недостатки каждого метода изготовления, основанного на сборке. Подробно обсуждаются существующие проблемы и будущее развитие производства магнитных микророботов методом сборки. Считается, что этот обзор послужит методологическим справочником и вдохновит на новые идеи по производству мощных магнитных микророботов в будущих биомедицинских приложениях.

Микросборка - это процесс конструирования микромашин из множества компонентов с использованием технологии высокоточных микроманипуляций. Путем точной сборки предварительно намагниченных микромодулей можно создавать магнитных микророботов, способных интегрировать множество материалов и формировать достаточные локальные векторы магнитного крутящего момента в желаемой ориентации. Благодаря этому методу пространство конструкции магнитных микророботов становится больше, а функциональность машины существенно повышается. Этот метод изготовления может значительно расширить возможности микророботов с перепрограммируемым намагничиванием, изменением формы и множеством функций. Благодаря выбору множества материалов и точному контролю положения и ориентации собранных модулей размером от микрон до миллиметров, различные методы микросборки позволяют создавать мощных микророботов, адаптированных к конкретным биомедицинским применениям.

В последнее время при изготовлении магнитных микророботов широко используется ручная сборка с помощью инструментов. Чжан и др. разработан экологически ориентированный непривитый 12-лапный микроробот, способный передвигаться и самостоятельно захватывать себя, как показано на рисунке 2A.^[55] 12 ножек были изготовлены путем литья неотвержденных магниточувствительных эластомеров (MRes) в негативные формы с заданной геометрией в плоскости. Затем вылеченные ножки извлекали и намагничивали, чтобы заложить в них однородные профили намагничивания. Затем ножки поместили во вторую негативную форму с соответствующими геометрическими особенностями, чтобы они соответствовали ножкам, оставляя место для соединительных прокладок. Центральное тело микроробота было изготовлено из жидкокристаллических эластомеров (LCE), которые были вырезаны лазером из пленки LCE. Затем центральное тело выровняли и поместили поверх неотвержденного SE, который был отлит во вторую форму. Наконец, ножки были соединены с центральным телом через соединительные площадки, и магнитный микроробот был изготовлен. Гибкий выбор материала, предоставляемый при сборке, обеспечивает огромную свободу проектирования и множество степеней свободы (DOF) благодаря программируемому управляющему полю LCE, программируемому профилю намагничивания MRE и разнообразным геометрическим конфигурациям. Этот микроробот чувствителен к теплу, и можно рассматривать возможность использования света в качестве управляющего сигнала для улучшения пространственно-временного разрешения и скорости приведения в действие для повышения производительности в будущем.

Самосборка за счет клеточной адгезии

Самосборка, основанная на клеточной адгезии, представляет собой новый метод микросборки для создания биогибридных микророботов за счет внешних и внутренних сил адгезии клеток. Клеточная адгезия регулируется комбинацией нескольких факторов, включая биохимические стимулы, внутренние и внешние воздействия, а также механические свойства внеклеточной среды. Методы самосборки биогибридных микророботов, основанные на клеточной адгезии, заключаются в использовании внешней силы адгезии во время роста клеток для сборки клеток с магнитными каркасами или в использовании внутренней силы адгезии клеточного матрикса для улавливания магнитных частиц, которые попадают в клетки. Магнитные микророботы, изготовленные этими методами, обладают естественной биосовместимостью, и процесс изготовления не требует внешнего вмешательства. Li et al. представлен магнитный микроробот, способный переносить и доставлять клетки-мишени, как показано на рисунке 4A. его микроробот имеет пористую сферическую структуру, похожую на заусенец, изготовленную методом 3D лазерной литографии, с поверхностью, покрытой Ni для магнитного воздействия, и поверхностью, покрытой Ti для улучшения биосовместимости. После изготовления конструкции ее собирали из клеток MC3T3-E1 и мезенхимальных стволовых клеток путем совместного культивирования в течение 12 часов. Микророботы, изготовленные этим методом, могут обеспечивать транспорт и доставку клеток-мишеней in vivo. Go et al. также предложен магнитный микронаушник, который был собран из целевых мезенхимальных стволовых клеток путем совместного культивирования для потенциального применения в восстановлении суставного хряща. Для достижения клинического применения этого метода необходимо решить две ключевые проблемы. С одной стороны, необходимо применить эффективную технологию визуализации глубоких тканей in vivo для автоматического отслеживания в режиме реального времени. С другой стороны, необходимо разработать 3D биоразлагаемые структуры с высокой механической прочностью. Другой метод использования внутренней клеточной адгезии для сборки основан на фагоцитарной функции конкретных клеток, таких как фагоциты. Лин Фенг и др. разработали микророботов из намагниченных макрофагальных клеток для адресной доставки лекарств, как показано на рисунке 4B. Носители biohybrid микророботы оказались мышиные макрофаги, которые могут проглотить Fе₂О₃ с диаметром частиц 10 нм. В процессе совместного культивирования клетки-макрофаги намагничивались посредством эндоцитоза макрофагов. Благодаря естественной биосовместимости и биологическим свойствам макрофагов эти собранные микророботы считаются очень перспективными платформами для интеллектуальной доставки лекарств. Доган и др. представлены живые противоопухолевые микророботы, полученные из иммунных клеток, которые были собраны с помощью макрофагов, поглощающих сконструированные бактерии-приманки, аналогично работе Feng et al..Этот метод конструирования медицинских микророботов путем свежего выделения живых клеток из биологического организма имеет большой потенциал в клинических применениях. Когда они вводятся в биологический организм, организм распознает их как своих собственных. Что еще более важно, методы лечения на основе живых клеток могут выполнять устойчивые долгосрочные терапевтические функции, которые недоступны обычным лекарствам и биологическим препаратам. Более того, из-за небольшого размера клеток и ограниченного количества поглощаемых магнитных наночастиц, а также индивидуальных различий и биологических свойств клеток передвижение клеточных роботов довольно медленное. Будущая работа будет сосредоточена на повышении напряженности магнитного поля и намагниченности клеточных роботов.

Рои магнитных микророботов, сформированные путем самосборки

Рои магнитных микророботов привлекли к себе широкое внимание из-за их потенциала в медицине и биоинженерии. Для одного микроробота возможности загрузки лекарств не могут соответствовать требованиям из-за его малых размеров и объемов, а визуализация в реальном времени in vivo также является сложной задачей. Рои микророботов могут поддерживать контролируемые схемы во время передвижения при надлежащем глобальном вводе данных, и их схемы могут быть перенастроены путем настройки параметров приведения в действие. По сравнению с независимыми микророботами, рои микророботов более адаптивны, чтобы адаптироваться в сложных условиях, обеспечивая высокую скорость доступа к цели. Коллективное поведение магнитных роев микророботов может быть вызвано раздражителями магнитного поля, и обладает потенциалом для ориентированной локации, активной доставки лекарств и восприятия. В этом разделе кратко описан недавний замечательный прогресс в самосборке магнитных роев микророботов.
Отдельный микроробот демонстрировал множество динамических режимов колебаний, перекатывания, кувыркания и вращения под действием различных входных магнитных полей. Эти множественные режимы запускают самоорганизацию микророботов в соответствующие роевые образования жидкости. Таши и др. предложили коллоидное микроволно, сформированное из суперпарамагнитных коллоидных частиц в результате изотропных взаимодействий, индуцируемых вращающимся в плоскости магнитным полем. Процесс сборки под действием магнитного поля показан на рисунке 6A. Этот микроробот обладает высокой скоростью передвижения, хотя он все еще отстает от самых быстрых микробов из-за ограничения величины магнитного поля. Д-ром Ю и др. сообщается о лентообразном магнитном микрозаряде, сформированном из парамагнитных наночастиц с использованием колеблющихся магнитных полей, как показано на рисунке 6B.Микророботы могут выполнять обратимое удлинение с чрезвычайно высоким соотношением сторон, а также расщепление и слияние. Се и др. представлен метод программируемой генерации и управления движением роя магнитных микророботов, похожих на змей.^[137] Как показано на рисунке 6C, коллоидные частицы гематита в форме арахиса собираются в змееподобную структуру под действием вращающихся магнитных полей. В работе Се и др.^[25] быстрые и обратимые преобразования между вышеупомянутыми множественными коллективными режимами достигаются переменными магнитными полями. Рои микророботов могут быть запрограммированы на движение в любом направлении с превосходной маневренностью, обеспечивая универсальные коллективные режимы для решения проблем окружающей среды или требований многозадачности.