中國學者制備磁控人造纖毛，具備生物相容性和異步可編程性

小纖毛普遍存在于自然界里，比如在水生生物和人體中，是一種微小的毛發狀細胞突起。其長度一般在 1 至 30 微米之間，在低雷諾數（用于表征流體流動情況的無量綱數）范圍內的跳動頻率為幾十赫茲。

它們具有十分強大的功能，比如自清潔、食物捕獲、腦脊液運輸、卵細胞遞送等，對包括人類在內的許多生物系統的生存和健康來說至關重要。

在對天然纖毛的功能進行探索的基礎上，來自德國馬克斯 · 普朗克智能系統研究所的團隊，制備了一種磁控人造纖毛（Magnetic artificial cilia，MAC）。

【資料圖】

具體來說，該團隊基于硬磁性鐵鉑合金材料和絲素水凝膠材料，采用雙光子聚合技術和磁性操縱技術，直接 3D 打印出具有生物相容性和異時可編程性的 MAC 陣列。這種人造纖毛的長度與天然生物纖毛的長度非常接近，整體尺寸大概在 20 微米左右。

他們對制備出的纖毛的磁性、力學和生物學性能進行了系統研究，發現這種纖毛表現出了穩定的致動性能、耐高溫性和高機械耐久性，能夠在可編程微流控系統、生物醫學工程和生物相容性植入物等領域獲得應用。

舉例來說，在微流控領域，MAC 可以用來傳送包括生物流體在內的微流體，并通過操控微流體，實現對單個細胞的捕捉和特定細胞的分離等生物細胞方面的研究。

" 我們在未來想要開發一種對單細胞進行操作的技術，這有助于在人體早期發病時，就檢測出其是否有罹患癌癥的風險。" 德國馬克斯 · 普朗克智能系統研究所洪堡學者表示。

圖丨張帥重（來源：）

同時，在水生生物表面附著的小纖毛，能夠發揮在水面浮游的功能。在這方面，該團隊想利用 MAC 來制造可以浮游的微型機器人。

此外，由于小纖毛的正常運行，是人體諸多基本功能得以完成的前提條件，比如人體肺部以及呼吸道內所分布的纖毛決定了人體是否可以有效地清除掉含有病毒與細菌的粘液，這是防止人們受到感染的最重要環節之一（纖毛損失可導致慢性呼吸疾病 - 囊性纖維化癥）；人類胚胎時期的纖毛決定了包括心臟在內的多個器官在人體內的位置分布（纖毛損壞可導致器官錯位，比如導致心臟位于人體右側，而非正常情況下的左側）。因此他們也想通過對可植入式人造纖毛的研究，助推相關疾病的治療。

圖丨可編程 MAC 陣列的制造（來源：Science Advances）

2023 年 3 月 22 日，相關論文以《具有異步可編程性的 3D 打印微米級無線磁性纖毛》（3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability）為題在 Science Advances 上發表 [ 1 ] 。

、西北工業大學胡星浩教授和馬克斯 · 普朗克智能系統研究所洪堡學者李朦為該論文的共同第一作者，馬克斯 · 普朗克智能系統研究所梅廷 · 斯蒂（Metin Sitti）教授擔任該論文的通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Science Advances）

據介紹，2019 年他博士畢業于荷蘭埃因霍芬理工大學，2021 年獲得德國洪堡基金會的資助，以洪堡學者的身份來到馬克斯 · 普朗克智能系統研究所開展博后研究，師從國際著名微小尺度機器人先驅斯蒂教授。

他剛加入斯蒂教授課題組，便開始了對小纖毛的研究。在對光驅、電驅等小纖毛的各種驅動方式進行了研究之后，該課題組決定采用磁場作為無線驅動刺激。

" 這種方式能讓小纖毛在瞬間對外界磁場做出響應，具有良好的可控性。并且，由于我們想將小纖毛主要用于微流控領域，就必須確保驅動方式和該領域生物研究方向所用的液體之間，不會產生電解等副作用，而磁性驅動也正好符合我們的要求。" 解釋說。

此外，同樣需要說明的是，他們一開始選用的材料并不是鐵鉑這種金屬磁性材料，而是鎳鐵材料。但由于后者作為軟磁性材料無法產生磁場，且可編程化較低，這才改用鐵鉑材料。

但是，鐵鉑的比例和鐵鉑合金的薄膜厚度，也會對磁性材料的磁性產生重要影響，所以他們在加工鐵鉑雙面球材料的過程中，用了近三個月時間，才生產出比較合適的鐵鉑雙面球。

圖丨 MAC 的磁性、機械和生物性能表征結果（來源：Science Advances）

那么，他們又為什么要采用 3D 打印這種加工方式呢？

這是因為，他們所使用的雙光子 3D 打印機，具有非常高的分辨率，可以達到納米級別，這正好與天然纖毛的正常尺寸相近。同時，他們還可以打印任意二維或三維的 MAC 陣列，并產生可控的二維或三維的流場，這是之前的人造小纖毛無法實現的。

目前，該團隊只是采用了絲素水凝膠和磁性材料來制備小纖毛。未來，他們還計劃與材料領域的研究者們合作，用多刺激響應的材料制備人造小纖毛，以實現可編程化程度更高、響應速度更快、更接近天然小纖毛的運動狀態。

" 小纖毛對于決定人體是否能夠正常生存來說非常重要，我希望它能夠得到更多科學領域的關注。" 說。

參考資料：

1. S., Zhang, X., Hu, M., Li. et al. 3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability. Science Advances 9 12（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9462

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