研究人员通过光力将一个具有三指形状的硅藻（三角褐指藻）旋转起来，构建成硅藻机器人，硅藻机器人周围局部流场产生的光水动力可以轻松将尺寸小至100纳米的目标物进行捕获与收集。该方法为细胞培养过程中生物威胁物的移除提供了全新的工具，将助力基于活细胞研究的生物制造、疫苗研制等生物医学应用。

 

光流体力硅藻微机器人在生物环境中实现生物威胁物收集与移出的示意图

 

污染对于细胞培养有着怎样的威胁？硅藻机器人到底是如何工作的？如何通过光力控制它们？在微纳生物机器人研究领域，国内外还有哪些突破？

 

清除生物威胁物不影响细胞？确实是个难题

 

暨南大学纳米光子学研究院副院长辛洪宝教授介绍，在生物医学和医学工程中，细胞培养起着非常关键的作用，病理机制研究、新药研发和药效评价，以及疫苗研制等方面都要用到细胞培养。

 

细胞培养对环境有着很高的要求，须保证与细胞接触的物品无菌且无污染。在细胞培养过程中主要存在两大污染：一是化学污染，如培养基受到的化学成分污染；二是生物污染，包括细菌、真菌、病毒以及支原体等生物威胁物的污染。如实验人员操作不当或环境清洁不到位，都可能导致细胞培养受污染，对生物医学研究造成很大的经济损失。

 

通常情况下，主要采用75%的酒精和紫外线消除生物性污染，但这些方法缺乏针对性，在杀死细菌等污染物的同时也会干扰培养的细胞。虽然使用抗生素可以强化杀灭细菌的靶向性，但也会增加细菌耐药性的风险，同时也会影响神经细胞等珍贵细胞的生长。另外，国际上目前虽可以利用纳米材料来完成这一任务，但这种方法同样缺乏主动性。因此，亟需提供一种具有高选择性和高生物相容性的方法对污染物进行移除。

 

来自海豚逐浪的灵感

 

海洋中存在一种船尾乘浪效应：当船在行进过程中，在周围会形成压力波，海豚如沿着压力波游动则可随波逐流，减少体力的消耗。受此启发，研究人员构建了以光为导航的光流体力硅藻机器人。

 

构建光控微纳生物机器人的材料是自然界中广泛存在的一种三指形硅藻（三角褐指藻），这种硅藻可直接拿来使用，无须化学加工。通过光力使硅藻机器人快速旋转，带动周围液体形成局部流体，细菌等生物威胁物就像海豚，借助流体的运动轻松追随机器人，从而被机器人捕获。这一方法可轻松将尺寸小至100纳米的目标物进行捕获与收集。

 

不仅如此，通过在硅藻机器人表面修饰一层具有高生物兼容性且无毒的壳聚糖材料，使机器人具备高效的抗菌能力，在移除污染细菌的同时实现高效杀菌。

 

目前，这种方法还依赖人工操作，将培养细胞的培养皿放置在显微镜下进行观察，当看到纳米级的生物威胁物时，就利用硅藻机器人对其进行移除。辛洪宝表示，后续将尝试结合人工智能或深度学习方法，让硅藻机器人自动识别生物威胁物，实现自发移除的目的。

 

微纳机器人失控怎么办？

 

辛洪宝介绍，目前国内外微纳机器人发展非常迅速，在科研人员的不懈努力下，微纳机器人在定向靶向药物递送、精密显微操作以及生成组织成像等生物医学各方面都有很大的突破。

 

在国外研究机构当中，欧美处于领先地位。加州大学圣地亚哥分校的研究团队研制的微纳机器人可以实现药物靶向递送，已用于胃肠道疾病的治疗当中，且构建材料也是硅藻类；苏黎世联邦理工学院的研究团队利用磁控方法构建的微纳机器人，将其放入人眼中，能够实现白内障的自动诊疗。

 

在国内，微纳机器人也实现了一定发展。哈尔滨工业大学的团队利用细胞膜伪装技术，构建的纳米机器人在药物输运、体内生物屏障穿透及肿瘤治疗等方面都取得良好成效。中科院国家纳米中心、武汉理工大学、香港中文大学以及暨南大学等科研单位的多个研究团队，在纳米机器人方面也都取得了很多突破性成果。

 

在一些科幻作品中，认为微纳机器人未来可能会失控，科研人员也有此类担忧。为避免微纳机器人后续不受控制的情况，在其完成生物医学操作后，通常采用两种方式将其从体内移除。一是利用磁场将机器人从体内取出；二是使用能够生物降解的材料使机器人在体内自动降解。

 

总体来看，微纳机器人在生物医学领域发挥着重大作用。辛洪宝表示，未来打算利用微纳机器人实现生物系神经细胞的调控，对衰老的神经细胞进行活性恢复，此外，也希望利用微纳机器人深入活细胞内部，去了解生命的机制。