第一作者：李俊漾、李霄劍
通訊作者：孫東
第一單位：香港城市大學
研究亮點：
1. 設計并制備出具有高細胞運載能力的磁控微型機器人。
2. 利用磁控微型機器人首次實現功能細胞的體內輸運及精準遞送。
基于細胞的再生醫學和精準醫療近年來受到廣泛關注。干細胞是一種具有不斷增殖和多向分化能力的功能細胞，幾乎存在于所有生物組織中。近年來隨著科學家們研究的深入，使用干細胞實現多種血液系統、神經系統疾病的治療逐漸成為可能。然而，傳統細胞注射無法實現細胞的精準定點遞送，導致注射損耗率高，進而影響治療效果。因此，如何將功能細胞高效準確運載到體內指定部位，是細胞治療領域面臨的重大技術難題。
基于磁場的磁控微型機器人由于其易于精確定位且對生物組織無害，因而被廣泛應用于靶向細胞運載領域。但是，傳統方法很難根據不同細胞類型來設計制備三維細胞運載結構。已有結構雖然已在體外遞送細胞中展現出一些優勢，但人體內環境復雜，目前還沒有相關研究從體內角度來設計微型機器人。微型機器人在體內的運作機制并不明確。
鑒于此，香港城市大學孫東課題組報道了開發高細胞負載能力的磁控微型機器人實現在體內運輸及精準遞送功能細胞的研究。
研究人員基于體內運輸環境、細胞附著特性、磁場驅動性能等多方面因素，選擇了以梯度磁場驅動作為機器人的驅動方式，采用球形孔狀結構作為微型機器人的主體，創造性地引入了刺狀突起結構作為細胞的附著點，在保證機器人驅動能力的基礎上，極大提高了結構的細胞負載能力。
該微型機器人以SU-8光刻膠作為原材料，利用Nanoscribe 3D激光打印設備成功制備出如圖1中所示的微型機器人結構。并在其表面濺射一層金屬鎳及鈦，達到可磁控及增加生物相容性的目的。將其與干細胞及成骨細胞共培養后通過掃描電子顯微鏡觀察發現其很好的負載于磁控微型機器人上。
圖1. 設計與制備磁控微型機器人（A）設計圖；（B）制備流程圖；（C）SEM表征圖。
圖2. 細胞負載能力研究。
為了驗證所設計微型機器人的可驅動性，課題組利用自主設計的磁控操作平臺，在多種體液環境下完成體外控制實驗。同時，選擇斑馬魚作為體內實驗對象，將負載有干細胞的微型機器人注射到斑馬魚的卵黃內部，首次實現負載干細胞微型機器人在復雜生物體內的磁場控制（圖3）。
圖3. 負載細胞的磁控微型機器人在不同體液環境的驅動實驗（A）在磷酸鹽緩沖液中的驅動；（B）在磷酸鹽緩沖液，人工合成腦脊液，老鼠血液的環境下的磁場梯度與速度關系圖及（C）運動誤差圖；（D）在斑馬魚卵黃內驅動；（E）在斑馬魚卵黃內的磁場梯度與速度關系圖及（F）運動誤差圖。
最后，課題組成功在微流芯片及老鼠體內驗證了磁控微型機器人的細胞釋放能力（圖4、圖5）。這也意味著人類在不久的將來可以大膽設想將攜帶功能細胞的微型機器人通過血管注射進入人體，并在磁場的幫助下到達體內指定位置，最終釋放功能細胞穿過血管進入組織發揮作用。
圖4. 在微流芯片模擬血管中的細胞釋放實驗（A）芯片設計；（B）細胞釋放。
圖5. 在裸鼠體內的細胞釋放。
這項研究通過對磁控微型機器人的創新結構設計使其具有高細胞負載能力，并利用該機器人首次證實其在體內運輸及遞送功能細胞方面的新途徑。課題組負責人孫東教授表示：“相信其在精準治療，再生醫學，微創手術等領域有著廣闊的應用前景“。
參考文獻：
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
作者簡介：
孫東博士目前擔任香港城市大學機械與生物醫學工程系講座教授、系主任，及香港城市大學機器人與自動化研究中心主任。孫教授在機器人研究領域成績斐然，特別在融合機器人與微納操作技術實現單細胞水平上的細胞操作、診斷和微型手術方面做出了杰出的貢獻。孫教授至今已發表15部學術著作和受邀著作章節，在國際期刊和會議上發表了近400 篇學術論文，擁有十項專利，榮獲多項最佳論文獎及工業獎項。孫教授作為大會主席組織多個大型國際會議，如世界最大型機器人會議之一的全球機器人與智能系統國際大會（IROS 2019）。孫教授是美國電機與電子工程學會（IEEE）的Fellow，目前還擔任國家教育部科技委生物醫學學部的學部委員。
