微游動機器人在生物醫學中的應用前景廣闊，特別是在精準藥物遞送和微創手術中。然而，傳統的微游動機器人存在制造工藝復雜、材料要求高以及環境適應性差等問題。據麥姆斯咨詢報道，香港科技大學申亞京教授的研究團隊提出了一種基于漩渦湍流輔助的微流控平臺（VTAM），可實現類精子結構的微型機器人一步成型，配合外部磁場驅動為藥物遞送提供了新的載體。該研究團隊進一步將微游動器導入生物體模擬環境，并在特定位置釋放藥物，展示了這種新型微游動機器人在生物醫學中的應用前景。

香港科技大學申教授表示：“我們早前的研究發現，鰩魚精子具有特殊的雙節螺旋結構，能夠在不同粘度的液體環境中實現高效推進[PANS, 118, e2024329118 (2021)]（圖1）。但是，如何批量制造類精子結構的微型機器人并實現高效驅動和可控藥物釋放一直是個難題。在這項工作中，我們提出的漩渦湍流輔助的微流控平臺（VTAM），克服了傳統的微流控平臺對加工非對稱結構的復雜化，為解決這一挑戰提供了思路。”

圖1 鰩魚精子的雙節螺旋結構

如圖2所示，漩渦湍流輔助的微流控平臺結合了一個傳統的十字形微流控芯片和一個通過旋轉磁力攪拌器形成的漩渦容器，該微流控芯片形成單分散的磁性藻酸鹽液滴并通過毛細管轉移到氯化鈣溶液漩渦容器。液滴在漩渦流的作用下爆裂（圖3），內部的磁性藻酸鹽溶液暴露并沿著漩渦流的方向被抽出，形成類精子的非對稱結構。在抽出尾部之后，由于與氯化鈣溶液中的鈣離子發生交聯反應，液滴在幾毫秒內固化。

圖2 漩渦湍流輔助的微流控平臺及類精子結構的微型機器人形成機理展示

圖3 液滴破乳的動態仿真模擬

該論文第一作者譚蓉提到：“漩渦湍流輔助的微流控平臺結合了一個傳統的十字形微流控芯片和一個通過旋轉磁力攪拌器形成的漩渦容器，通過該策略制備的微游動器具有可生物降解的核殼頭部和柔性尾部，其形態可通過渦流轉速和溶液濃度調節（圖4）。”

圖4 類精子結構的微型機器人尾部長短可以通過渦旋轉速進行調節

在磁場的作用下，這種類精子結構的微型機器人可以靈活的在液體中游動，展示了其在生物醫學中的應用前景（圖5及圖6）。

圖5 不同磁場頻率下，不規則頭結構的類精子結構微型機器人游動展示

圖6 同一磁場下，三種不對稱類精子結構微型機器人游動展示（規則頭部，不規則頭部，螺旋頭部）

為了提高新型微游動器的藥物遞送性能，如圖7所示，該研究團隊在微游動器表面涂覆了一層酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan），這種膜能夠在不同pH環境下實現藥物的緩慢和可控釋放。在實驗中，涂覆ACA膜的微游動器在不同環境條件下都表現出色，藥物釋放效果顯著優于未涂覆膜的微游動器（圖8）。

圖7 酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）形成機理及性能表征展示

圖8 包覆酸堿性敏感膜（Alginate-Ca-Chitosan）的類精子結構微型機器人展示了更顯著的藥物釋放效果

香港科技大學申教授補充道：“漩渦湍流輔助的微流控平臺提供了一種制造復雜三維多形態結構的方法，是傳統層流設備無法實現的。在后期工作中，為將其推向實際應用，還有許多挑戰需要克服。例如，我們需要進一步優化工藝來確保微游動機器人加工的一致性和穩定性。此外，還需進行進一步的體內測試，以驗證這些微游動機器人在臨床環境中的實際效果。”

此次研究不僅展示了仿生設計在生物醫學工程中的應用潛力，也為未來的藥物遞送系統提供了新的思路。隨著技術的不斷進步，相信新型類精子結構的微型機器人將在不久的將來為人類健康事業做出更大貢獻。