生物醫用材料在藥物靶向遞送、生物活體成像、細胞再生分化等領域取得了蓬勃發展。能量轉換材料是化學、材料、物理、能源多學科交叉研究的前沿之一，在神經科學領域的應用方興未艾。
中樞神經系統中大量神經細胞構成網絡或迴路，負責信息的傳遞、儲存、整合加工，是學習、運動、記憶的基礎。帕金森症和阿爾茨海默症等疾病中，神經細胞不可逆轉的凋亡導致運動失調或進行性認知功能障礙，而藥物治療、神經外科手術、基因治療和細胞移植是治療上述疾病的有效手段。細胞移植是將體外培養的神經幹細胞移植到受損中樞神經系統靶部位，再將這些治療性細胞誘導分化為神經元。神經細胞定點遞送和原位調控分化形成功能性神經元網絡極具挑戰。
南京大學化學化工學院高分子科學與工程系沈群東研究團隊聯合蘇黎世聯邦理工大學Bradley J. Nelson研究團隊的陳相仲博士設計並構建了一種集神經細胞靶向遞送、原位調控細胞分化和生物降解功能於一體的螺旋微機器人（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910323）。該微機器人選用生物相容性優異的天然高分子凝膠材料為柔性基質，採用雷射雙光子聚合微型3D列印技術，製造出支持神經細胞粘附、生長的螺旋形框架。為了實現微機器人遠程定向運動的精確操控和原位刺激調控細胞分化的目的，採用水熱和溶膠-凝膠法製備了具有核-殼結構的能量轉換納米微粒。微機器人與納米微粒集成後負載神經細胞，運用可穿透人體深層組織的低強度旋轉磁場，模擬細菌的鞭毛運動，操縱微機器人在微通道裡的腦脊髓液中定向泳動，實現神經細胞的遞送。
當神經細胞被遞送到目標區域後，微機器人被負載神經細胞分泌的膠原酶逐漸降解，釋放出負載的神經細胞和納米微粒。由於納米微粒是由鐵磁和鐵電材料複合構成的多鐵性材料，具有磁電耦合的效應；因此當納米粒在高頻交變磁場的作用下，鐵磁相內核發生磁致伸縮，將應力/應變通過界面傳遞到鐵電相外殼，導致鐵電相在形變驅動下產生電荷，從而將高頻磁場快速地轉換為瞬時變化的電信號，達到遠程刺激神經細胞，調控其分化的目的。
圖1. 微機器人製備及其運載、調控神經細胞分化後降解示意圖
研究證實使用旋轉磁場可以實現微機器人靶向遞送細胞，而微機器人在完成遞送細胞後可以被細胞分泌的膠原酶降解。微機器人在高頻交變磁場刺激下能夠調控神經細胞分化，使細胞表現出多樹突生長形態及神經元特異的軸突膜蛋白GAP43表達的顯著上調。同時微機器人上的磁電耦合納米微粒在腦部組織中仍然具有良好的生物安全性。該微機器人集細胞運輸和原位調控細胞分化為一體，為利用細胞移植治療神經退行性疾病和腦組織損傷提供了新思路，具有潛在的應用價值。
沈群東教授課題組近年來專注於能量轉化材料調控細胞行為的研究。論文的第一作者為博士生東梅，她在能量轉換納米材料調控神經細胞分化和調控細胞內微環境促進腫瘤凋亡等方面開展了系列的工作。研究課題得到國家重點研發計劃重點專項、國家自然科學基金等項目的資助。