微創手術和微型機器人輔助的靶向治療是一種創新技術，可以同時降低幹預水平，將藥物集中在特定部位，從而降低副作用的風險。這些不受束縛的微型機器人可以以非侵入性的方式進入狹小的空間。這一特性有望幫助臨床醫生應對需要進入人體難以到達區域的疾病。這些設備在體內的受控傳遞需要它們克服以下障礙:首先，在外部刺激(磁、化學、超聲波、磁聲、電或光)的影響下可控地遊動;第二，通過醫學成像系統進行定位時，具有較高信噪比;第三，將目標「貨物」運送到所需的位置；最後，由具有一定生物相容性的成分組成。
在此之前，人工機器人精子是通過靜電紡絲來製造一個柔性的帶有磁頭的聚苯乙烯尾巴的。這個毫米大小的機器人精子由振蕩磁場驅動，向前運動達到0.9體長/秒。然而，這種靈活的機器人精子相對較大，而且它的組成部分不具有生物相容性。在作者之前的工作中，他們提出了一種基於靜電自組裝的將1- μm 氧化鐵粒子附著在牛精子表面的方法。採用磁場驅動磁性精子細胞運動，由於細胞被氧化鐵顆粒完全覆蓋，細胞的靈活性有限，導致其速度相對較低。由此，保持精子細胞內在靈活性的關鍵是使用納米大小的顆粒。
通過靜態精子細胞和磁性納米粒子的靜電自組裝來開發生物雜化磁性微型機器人。將生物實體整合到微型機器人中，除了形狀模板之外，還會帶來許多功能上的優勢，比如可以很容易地吸收化療藥物來實現靶向給藥。團隊提出了一種單步靜電自組裝技術製備鐵精子（IRONSperm），軟磁微泳者，模擬運動精子細胞的運動。實驗和理論預測表明，在8 Hz的驅動頻率和45度的精度角下，鐵精子的遊動速度超過0.2體長/s(6.8±4.1×m/s)。納米顆粒塗層增加了精子細胞的聲阻抗，並能夠利用超聲反饋定位鐵精子簇。實驗證明了這些微型機器人的生物相容性和載藥能力，以及它們作為體內靶向治療的生物相容性、可控性和可檢測的生物雜化工具的優良前景。
圖1磁性納米顆粒附著在精子細胞的頭部、中部、主塊和遠端。
論文展示了一種獨特的靜電自組裝方法創建精子模板微型機器人。這種製備方法依賴於牛精子細胞和磁赤鐵礦納米粒子的相反表面電荷，通過靜電相互作用來開發微型機器人。圖1A顯示了一個鐵精子（IRONSperm）的SEM圖，細長的100nm氧化鐵顆粒附著在牛精子細胞的頭部(圖1B)。這個微型機器人由一個塗有納米顆粒的靜止的牛精子細胞組成。這種自組裝過程達到了一種平衡，即納米顆粒和精子膜之間的電荷達到了平衡。因精子的電荷分布不均勻，由此得到了不同構型的鐵精子(圖2A)。所有的鐵-精子都具有納米顆粒覆蓋區域和無覆蓋區域的特點，這保證了靈活性，同時為磁驅動和控制鞭毛推進提供磁矩。低雷諾數的螺旋鞭毛推進是在均勻磁場中周期性變化的影響下實現的。納米顆粒塗層提高了生物體的回聲強度，並能通過超聲圖像進行定位，同時，在控制磁場的作用下，將生物體裝入藥物並控制其沿著參考軌跡運動。
精子的電荷分布並不均勻，也會隨精子的發育狀態而發生變化。因此，不同結構的精子粒子是通過納米粒子與不同質量精子自組裝獲得的。納米顆粒的數量以及它們附著在精子膜上的位置都因個案而異。因此，精子的速度在使用頻率範圍內存在較大的偏差。
由於具有柔性的鞭毛，磁頭與旋轉磁場的對齊能力取決於鞭毛與磁力矩之間的磁彈性耦合。因此，隨著頭部錐角的增大，遊動速度增加。在實驗中，這種增強是可通過增加應用磁場或增加磁頭的磁矩。在增加頭部磁矩的情況下，覆蓋在精子細胞表面的納米顆粒聚集控制著磁彈性耦合。可以通過增加每個細胞的納米顆粒聚集的濃度來增加施加在頭部的感應磁矩。增加濃度會產生更強的扭矩，但基於精子細胞和顆粒之間的淨表面電荷，覆蓋細胞的納米顆粒數量有一個上限(圖1F)。測量顯示，平均而言，細胞的頭部和主要部分被覆蓋了總數的31%和51%的納米顆粒聚集物，這對於保持良好的磁化和最小的對鞭毛靈活性的不利影響至關重要。
圖2-鐵精子的鞭毛推進是在旋轉磁場的作用下實現的。
鐵精子能夠通過圍繞空間中任意軸產生的旋轉磁場來控制遊泳。這些場是使用三軸亥姆霍茲電磁線圈設置產生的，如圖2A所示。IRONsperms在流體中被激活，而未結合的納米顆粒聚集物留在儲層底部。如圖6B所示，在6hz旋轉磁場的影響下，鐵精以12.5 m/s的平均速度遊泳。
鐵精的磁性成分不僅可以對單個精子細胞進行磁力遠程控制和驅動，還可以利用超聲波圖像對不同的鐵精進行定位。為了測試簇狀鐵精子的回聲性，我們將樣本插入內徑為380°m的聚乙烯管中(圖3A)。採用16mhz的波和視覺反饋檢測樣品，分別如圖3 (B，C)所示。實驗表明，該磁成分為鐵質體的檢測和定位提供了較高的對比噪聲比。
圖3-超聲圖像顯示一簇鐵精子的有效定位。
DOX-HCl是一種應用廣泛的抗癌藥物，被用作模型藥物來評估此處呈現的鐵精子(磁性納米顆粒組裝的非活性精子)的裝載能力。藥物和鐵精子在室溫和溫和攪拌下共孵育約1小時。水衝洗兩次後，將載藥鐵精子懸於精子培養基中，用螢光顯微鏡和分光光度法評價載藥能力。從圖4 (A，B)可以看出，成功地在鐵精子中裝載了DOX-HCl。在之前的報導中，由於DOX-HCl與DNA的高親和力，藥物主要在活精子的細胞核中被發現，而在鐵精子中，藥物被發現在整個身體中，包括中間部分和尾部。一個可能的原因可能是精子膜在與磁性納米顆粒(在水中)相互作用時破裂，這有助於藥物吸附在剩餘的蛋白質和脂質層上。培養1小時後，當1.3×106個精子/ml浸泡在最終濃度為50μg/ml DOX-HCl溶液中，精子吸收了11.3±0.5%的DOX-HCl。單個鐵精子能夠加載4.3±0.2 pg的DOX-HCl。累積釋放試驗顯示了鐵精子的負載穩定性。在72小時後，21.4±0.5%的藥物被保留在鐵精子內(圖4E)，儘管在最初的8小時內觀察到爆釋，鐵精子仍然具有較高的包封能力和穩定性，可以作為潛在的藥物載體。
圖4-鐵精子載藥情況。
通過與人子宮內膜腺癌細胞系石川細胞共培養，在24小時和3天後，未見死亡細胞數量增加，證明了鐵精子具有良好的生物相容性，具有廣闊的生物醫學應用前景。
綜上，鐵-精子提供了一種獨特的基本功能組合，這是微機器人微創醫學的基礎。精子細胞的自然設計被保留，以提供基本的靈活性。只需要不同的表面電荷就可以實現電池的成功耦合和磁化。該方法允許在不影響鞭毛靈活性的情況下給細胞裝載藥物。此外，該基於靜電的自組裝具有兩個根本性貢獻：首先，開發了雜化微型生物機器人，並驅動不動的精子細胞。其次，它通過磁性塗層改變精子細胞的聲阻抗，並利用超聲波圖像進行定位。總的來說，這種方法提供了靈活的、生物模板化的磁性微泳器，有望在人體內部實現微創應用。這一方法解決了試管試驗和將微型機器人轉入體內實驗之間的四個基本障礙：1、磁場可控的遊泳能力；2、納米顆粒塗層可使樣品通過微創成像系統定位檢測；3、可負載抗癌藥物；4、具有良好的生物相容性。
論文連結
https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eaba5855