超軟超彈磁驅動導航DNA軟體機器人用於受限空間細胞遞送

近年來,小型機器人在生物醫學領域顯示出巨大的應用潛力,例如疾病診斷、藥物輸送和手術治療。這種毫米到微米級別的小尺寸機器人能夠在有限的空間內運動,並到達深層組織。目前大部分小型機器人為硬質材料,通常其靈活性不足,在受限和不規則空間中移動困難,且其高機械強度容易對生物組織造成額外損傷。受自然界軟體生物的啟發,如軟毛蟲、章魚和蚯蚓等,科學傢開發出軟體機器人以提高對工作環境的適應性。電活性聚合物、形狀記憶材料、熱響應彈性體和水凝膠材料等被用於構建軟體機器人。在這些材料中,水凝膠由於具有靈活可調的機械強度和對外界刺激的靈敏響應能力受到廣泛關註。

脫氧核糖核酸(DNA)作為生命遺傳分子,是可編程的生物大分子,近年來開始用於制造新型生物材料,尤其是DNA水凝膠材料蓬勃發展(Progress in Polymer Science, 2019, 101163)。DNA水凝膠機械強度低(彈性模量通常低於1000 Pa),特別適合構建軟體機器人。

天津大學仰大勇《德國應化》:超軟超彈磁驅動導航DNA軟體機器人用於受限空間細胞遞送

近期,天津大學化工學院仰大勇教授課題組構建瞭一種基於DNA水凝膠材料的DNA軟體機器人。該軟體機器人兼具超軟和超彈的力學特性,在磁導航驅動下可將細胞遞送至受限空間。他們利用滾環擴增反應(RCA)合成DNA水凝膠(如圖1所示)。長鏈DNA間物理纏繞形成動態交聯點,DNA修飾的磁性納米粒子作為永久交聯點,共同構建獨特的水凝膠雙網絡。這種磁性DNA水凝膠的彈性模量低於1 Pa,表現出超軟特性;且可被拉伸13倍,表現出超彈特性。基於水凝膠的獨特性能,他們設計瞭一種具有形狀適應性的DNA軟體機器人。在磁驅動下,DNA機器人可運動通過比自身體積更小的狹窄通道,還可進入不規則形狀的凹槽空間,甚至可完成復雜路徑迷宮中的行走任務。更重要的是,DNA水凝膠具備三維多孔結構和良好的生物相容性,可作為細胞的三維培養載體材料,在磁導航驅動下將細胞遞送至受限空間,且不影響細胞的活性。該DNA軟體機器人可望用於診斷治療、可植入醫療設備和微創手術等重要生物醫學相關領域。

天津大學仰大勇《德國應化》:超軟超彈磁驅動導航DNA軟體機器人用於受限空間細胞遞送
圖1:DNA軟體機器人的分子設計原理圖。

 

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https://doi.org/10.1002/anie.201913549

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