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細(xì)胞培養(yǎng)被污染?光流體力硅藻機(jī)器人解難題

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-04-28  來源:央廣網(wǎng)  瀏覽次數(shù):233
核心提示:近日,暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院教授李寶軍、辛洪寶等在光控微納生物機(jī)器人領(lǐng)域研究取得重要進(jìn)展,提出了一種生物相容的光流體力

近日,暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院教授李寶軍、辛洪寶等在光控微納生物機(jī)器人領(lǐng)域研究取得重要進(jìn)展,提出了一種生物相容的光流體力硅藻機(jī)器人策略。

研究人員通過光力將一個(gè)具有三指形狀的硅藻(三角褐指藻)旋轉(zhuǎn)起來,構(gòu)建成硅藻機(jī)器人,硅藻機(jī)器人周圍局部流場產(chǎn)生的光水動力可以輕松將尺寸小至100納米的目標(biāo)物進(jìn)行捕獲與收集。該方法為細(xì)胞培養(yǎng)過程中生物威脅物的移除提供了全新的工具,將助力基于活細(xì)胞研究的生物制造、疫苗研制等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

細(xì)胞培養(yǎng)被污染?光流體力硅藻機(jī)器人解難題

光流體力硅藻微機(jī)器人在生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)生物威脅物收集與移出的示意圖

污染對于細(xì)胞培養(yǎng)有著怎樣的威脅?硅藻機(jī)器人到底是如何工作的?如何通過光力控制它們?在微納生物機(jī)器人研究領(lǐng)域,國內(nèi)外還有哪些突破?

清除生物威脅物不影響細(xì)胞?確實(shí)是個(gè)難題

暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院副院長辛洪寶教授介紹,在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)工程中,細(xì)胞培養(yǎng)起著非常關(guān)鍵的作用,病理機(jī)制研究、新藥研發(fā)和藥效評價(jià),以及疫苗研制等方面都要用到細(xì)胞培養(yǎng)。

細(xì)胞培養(yǎng)對環(huán)境有著很高的要求,須保證與細(xì)胞接觸的物品無菌且無污染。在細(xì)胞培養(yǎng)過程中主要存在兩大污染:一是化學(xué)污染,如培養(yǎng)基受到的化學(xué)成分污染;二是生物污染,包括細(xì)菌、真菌、病毒以及支原體等生物威脅物的污染。如實(shí)驗(yàn)人員操作不當(dāng)或環(huán)境清潔不到位,都可能導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)受污染,對生物醫(yī)學(xué)研究造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

通常情況下,主要采用75%的酒精和紫外線消除生物性污染,但這些方法缺乏針對性,在殺死細(xì)菌等污染物的同時(shí)也會干擾培養(yǎng)的細(xì)胞。雖然使用抗生素可以強(qiáng)化殺滅細(xì)菌的靶向性,但也會增加細(xì)菌耐藥性的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也會影響神經(jīng)細(xì)胞等珍貴細(xì)胞的生長。另外,國際上目前雖可以利用納米材料來完成這一任務(wù),但這種方法同樣缺乏主動性。因此,亟需提供一種具有高選擇性和高生物相容性的方法對污染物進(jìn)行移除。

來自海豚逐浪的靈感

海洋中存在一種船尾乘浪效應(yīng):當(dāng)船在行進(jìn)過程中,在周圍會形成壓力波,海豚如沿著壓力波游動則可隨波逐流,減少體力的消耗。受此啟發(fā),研究人員構(gòu)建了以光為導(dǎo)航的光流體力硅藻機(jī)器人。

構(gòu)建光控微納生物機(jī)器人的材料是自然界中廣泛存在的一種三指形硅藻(三角褐指藻),這種硅藻可直接拿來使用,無須化學(xué)加工。通過光力使硅藻機(jī)器人快速旋轉(zhuǎn),帶動周圍液體形成局部流體,細(xì)菌等生物威脅物就像海豚,借助流體的運(yùn)動輕松追隨機(jī)器人,從而被機(jī)器人捕獲。這一方法可輕松將尺寸小至100納米的目標(biāo)物進(jìn)行捕獲與收集。

不僅如此,通過在硅藻機(jī)器人表面修飾一層具有高生物兼容性且無毒的殼聚糖材料,使機(jī)器人具備高效的抗菌能力,在移除污染細(xì)菌的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效殺菌。

目前,這種方法還依賴人工操作,將培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)皿放置在顯微鏡下進(jìn)行觀察,當(dāng)看到納米級的生物威脅物時(shí),就利用硅藻機(jī)器人對其進(jìn)行移除。辛洪寶表示,后續(xù)將嘗試結(jié)合人工智能或深度學(xué)習(xí)方法,讓硅藻機(jī)器人自動識別生物威脅物,實(shí)現(xiàn)自發(fā)移除的目的。

微納機(jī)器人失控怎么辦?

辛洪寶介紹,目前國內(nèi)外微納機(jī)器人發(fā)展非常迅速,在科研人員的不懈努力下,微納機(jī)器人在定向靶向藥物遞送、精密顯微操作以及生成組織成像等生物醫(yī)學(xué)各方面都有很大的突破。

在國外研究機(jī)構(gòu)當(dāng)中,歐美處于領(lǐng)先地位。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)研制的微納機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)藥物靶向遞送,已用于胃腸道疾病的治療當(dāng)中,且構(gòu)建材料也是硅藻類;蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用磁控方法構(gòu)建的微納機(jī)器人,將其放入人眼中,能夠?qū)崿F(xiàn)白內(nèi)障的自動診療。

在國內(nèi),微納機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了一定發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用細(xì)胞膜偽裝技術(shù),構(gòu)建的納米機(jī)器人在藥物輸運(yùn)、體內(nèi)生物屏障穿透及腫瘤治療等方面都取得良好成效。中科院國家納米中心、武漢理工大學(xué)、香港中文大學(xué)以及暨南大學(xué)等科研單位的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì),在納米機(jī)器人方面也都取得了很多突破性成果。

在一些科幻作品中,認(rèn)為微納機(jī)器人未來可能會失控,科研人員也有此類擔(dān)憂。為避免微納機(jī)器人后續(xù)不受控制的情況,在其完成生物醫(yī)學(xué)操作后,通常采用兩種方式將其從體內(nèi)移除。一是利用磁場將機(jī)器人從體內(nèi)取出;二是使用能夠生物降解的材料使機(jī)器人在體內(nèi)自動降解。

總體來看,微納機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。辛洪寶表示,未來打算利用微納機(jī)器人實(shí)現(xiàn)生物系神經(jīng)細(xì)胞的調(diào)控,對衰老的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行活性恢復(fù),此外,也希望利用微納機(jī)器人深入活細(xì)胞內(nèi)部,去了解生命的機(jī)制。

 
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