由內源性（如趨化性）或外源性（如超聲波、磁場、電場）刺激驅動/引導的新一代遙控柔軟智能微型機器人，通過為體內微創醫療操作創造獨特機會，擴展了生物醫學科學領域。微型機器人已經被用于小動物身上，例如治療胃部感染或遞送抗癌藥物。這些微型機器人的特點是它們的推進機制，可以是化學的、物理的或生物混合的。特別是，由運動細胞或微生物驅動的微型機器人已被廣泛使用，因為它們利用了生物部件的趨化性和細胞相互作用能力以及合成微部件的控制/操縱性和成像增強。在不同類型的運動微生物和細胞中，細菌和精子是提供治療性貨物的有希望的候選材料。這是由于它們非常有效的推進機制，鞭毛跳動，這使它們能夠適應不同的微環境并在復雜的流體中游泳——甚至逆流。細菌已被用于趨向性靶向遞送藥物。精子（精子細胞）是構建生物雜交微型機器人的其他有希望的生物成分，因為它們天生就能夠在復雜的流體和器官（如生殖系統中的流體和臟器）中游動，而不會產生有害的免疫反應。除了受精的天然功能外，精子細胞還表現出高藥物包封能力和高藥物攜帶穩定性，這使其適合于各種婦科保健應用。此外，它們的趨化性（趨向于向更高濃度的細胞外信號游動）、趨熱性（傾向于向溫度梯度游動），趨觸性（趨向靠近表面游動）和流變性（逆流游動）為它們的運動控制提供了廣泛的選擇，使其成為微創手術的理想醫療工具。先前，德國德累斯頓工業大學Mariana Medina-Sánchez課題組首次使用精子細胞作為微型機器人系統的組成部分，特別是在開發新型體內輔助受精方法方面，在這種方法中，運動缺陷（弱精子癥）或低計數（少精子癥）的精子細胞可以由工程化的微型機器人輔助。為了向前邁出一步，該課題組使用非刺激響應聚合物（IPS 光刻膠）和熱響應水凝膠聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM），通過雙光子聚合（TPP）制造 4D 打印精子微載體，以助于精子-卵母細胞相互作用，從而實現體內輔助受精的最終目標。
在刺激響應材料中，基于水凝膠的聚合物是通用的，因為它們可以在施加某些刺激（例如溫度、鹽濃度、pH）時發生可逆的溶解度轉變。研究最充分的刺激響應水凝膠之一是 PNIPAM，它可以響應溫度變化。它的熱響應性是基于從低于其較低臨界溶解溫度（LCST）的溫度下的溶脹親水狀態到高于其LCST溫度的塌陷疏水狀態的可逆相變。因此，研究人員在此使用PNIPAM為微載體配備柔軟且智能的微門，用于觸發肝素和活動精子細胞釋放，以用于未來的體內輔助受精。此外，研究人員使用特定的納米載體平臺對微載體進行功能化，以局部介導卵母細胞-卵丘復合物中透明質酸 (HA) 的降解。因此，通過利用智能材料和新穎的微制造技術，研究人員在這里提出了一種多功能微載體，能夠：i）運輸和遞送多個活動的精子細胞，以增加受精的機會，ii）通過肝素的局部釋放原位獲能/超活化精子細胞，iii）協助HA-卵丘復合體的降解，通過先前在微載體表面官能化的透明質酸酶聚合體(HYAL Psome)的局部作用。微載體還涂有金屬層（Au），以通過雙超聲（US）/光聲（PA）成像增強其可視化，這使其成為未來體內應用的潛在候選材料。
圖|4D打印微載體的制造步驟
為了成功的受精過程，精子細胞必須克服不同的生物障礙才能最終到達卵母細胞。必須使精子細胞獲能/超活化才能穿透卵母細胞透明帶。超活化也可能促進精子細胞從輸卵管儲存庫中釋放。在這方面，肝素已廣泛用于體外精子獲能，當自然環境不可用時，肝素可誘導生化修飾，使精子細胞在暴露于透明帶、卵丘復合體和其他與體外成熟卵母細胞相關的物質時發生頂體反應。因此，研究人員將肝素裝入 PNIPAM 微門中，然后將它們浸入 TALP 溶液。此外，透明質酸酶 (HYAL) 是一種含透明質酸的精子頂體酶，通過參與卵丘細胞細胞外基質 (ECM) 的降解，在受精過程中發揮重要作用。在體外受精(IVF) 和胞漿內精子細胞注射 (ICSI) 中，HYAL 用于去除卵母細胞周圍的卵丘細胞。于此，研究人員通過將 HYAL 添加到微載體上以幫助精子細胞消化卵丘細胞（受精的最后一道屏障）來解決由精子數量低引起的與不孕癥相關的 HYAL 缺乏問題。為此，研究人員提出了一種基于聚合體 (Psomes) 的新型納米載體平臺，用于 HYAL 的后裝載。Psomes 是基于兩親嵌段共聚物的自組裝制備的，為它們提供了出色的機械和化學穩定性。此外，Psomes 的膜通透性可以由外部刺激（例如，pH、溫度、氧化還原電位、光、磁場和超聲波）觸發。該平臺能夠將酶均勻地固定在微載體的表面上，同時保持它們的活性。研究結果發現，微載體有≈ 16 個可用于耦合精子細胞的空腔；然而，由于可能的尾跳干擾，研究人員在實驗中觀察到多達 10 個精子細胞的耦合。研究還表明，這種含有約 10 個精子細胞的微載體可以通過外部磁場以有針對性的方式引導，這在使用人工輸卵管流體的受限微流體通道中得到了證明。本文成功地報告了設計的微載體捕獲、運輸和釋放多個精子細胞。此外，微結構涂有金，可以使用光聲成像進行初步的生物成像測試。盡管與先前報道的單精子載體相比取得了這些重要成就，但在將微載體應用于體內之前，仍有許多挑戰需要解決。例如，這些微載體是使用牛精子設計和證明的。然而，為了進行動物試驗，并且由于目前成像技術在時空分辨率和穿透深度方面的限制，小動物模型（例如，小鼠）更適合于建立該技術，因此，未來必須考慮使用小鼠樣進行優化。此外，這種微載體與周圍組織的相互作用仍有待研究。綜上所述，本文通過構建4D打印多功能微載體來輔助精子數量非常低（也稱為少精子癥）時的精子細胞，以增加體內卵母細胞受精的機會。本文已經解決了幾個挑戰，即多個精子細胞的運輸、它們在未來體內應用中的成像以及多種功能的添加（精子獲能和卵丘細胞去除）。此外，本文報道的采用雙光子光刻技術制造的4D打印多功能微載體不僅在微機器人輔助治療和診斷領域，而且在芯片上應用領域提供了大量可能性。Rajabasadi, F., Moreno, S., Fichna, K., Aziz, A., Appelhans, D., Schmidt, O. G., Medina-Sánchez, M., Multifunctional 4D-Printed Sperm-Hybrid Microcarriers for Assisted Reproduction. Adv. Mater. 2022, 2204257.https://doi.org/10.1002/adma.202204257
