中国学者制备磁控人造纤毛，具备生物相容性和异步可编程性

小纤毛普遍存在于自然界里，比如在水生生物和人体中，是一种微小的毛发状细胞突起。其长度一般在 1 至 30 微米之间，在低雷诺数（用于表征流体流动情况的无量纲数）范围内的跳动频率为几十赫兹。

它们具有十分强大的功能，比如自清洁、食物捕获、脑脊液运输、卵细胞递送等，对包括人类在内的许多生物系统的生存和健康来说至关重要。

在对天然纤毛的功能进行探索的基础上，来自德国马克斯 · 普朗克智能系统研究所的团队，制备了一种磁控人造纤毛（Magnetic artificial cilia，MAC）。

【资料图】

具体来说，该团队基于硬磁性铁铂合金材料和丝素水凝胶材料，采用双光子聚合技术和磁性操纵技术，直接 3D 打印出具有生物相容性和异时可编程性的 MAC 阵列。这种人造纤毛的长度与天然生物纤毛的长度非常接近，整体尺寸大概在 20 微米左右。

他们对制备出的纤毛的磁性、力学和生物学性能进行了系统研究，发现这种纤毛表现出了稳定的致动性能、耐高温性和高机械耐久性，能够在可编程微流控系统、生物医学工程和生物相容性植入物等领域获得应用。

举例来说，在微流控领域，MAC 可以用来传送包括生物流体在内的微流体，并通过操控微流体，实现对单个细胞的捕捉和特定细胞的分离等生物细胞方面的研究。

" 我们在未来想要开发一种对单细胞进行操作的技术，这有助于在人体早期发病时，就检测出其是否有罹患癌症的风险。" 德国马克斯 · 普朗克智能系统研究所洪堡学者表示。

图丨张帅重（来源：）

同时，在水生生物表面附着的小纤毛，能够发挥在水面浮游的功能。在这方面，该团队想利用 MAC 来制造可以浮游的微型机器人。

此外，由于小纤毛的正常运行，是人体诸多基本功能得以完成的前提条件，比如人体肺部以及呼吸道内所分布的纤毛决定了人体是否可以有效地清除掉含有病毒与细菌的粘液，这是防止人们受到感染的最重要环节之一（纤毛损失可导致慢性呼吸疾病 - 囊性纤维化症）；人类胚胎时期的纤毛决定了包括心脏在内的多个器官在人体内的位置分布（纤毛损坏可导致器官错位，比如导致心脏位于人体右侧，而非正常情况下的左侧）。因此他们也想通过对可植入式人造纤毛的研究，助推相关疾病的治疗。

图丨可编程 MAC 阵列的制造（来源：Science Advances）

2023 年 3 月 22 日，相关论文以《具有异步可编程性的 3D 打印微米级无线磁性纤毛》（3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability）为题在 Science Advances 上发表 [ 1 ] 。

、西北工业大学胡星浩教授和马克斯 · 普朗克智能系统研究所洪堡学者李朦为该论文的共同第一作者，马克斯 · 普朗克智能系统研究所梅廷 · 斯蒂（Metin Sitti）教授担任该论文的通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

据介绍，2019 年他博士毕业于荷兰埃因霍芬理工大学，2021 年获得德国洪堡基金会的资助，以洪堡学者的身份来到马克斯 · 普朗克智能系统研究所开展博后研究，师从国际著名微小尺度机器人先驱斯蒂教授。

他刚加入斯蒂教授课题组，便开始了对小纤毛的研究。在对光驱、电驱等小纤毛的各种驱动方式进行了研究之后，该课题组决定采用磁场作为无线驱动刺激。

" 这种方式能让小纤毛在瞬间对外界磁场做出响应，具有良好的可控性。并且，由于我们想将小纤毛主要用于微流控领域，就必须确保驱动方式和该领域生物研究方向所用的液体之间，不会产生电解等副作用，而磁性驱动也正好符合我们的要求。" 解释说。

此外，同样需要说明的是，他们一开始选用的材料并不是铁铂这种金属磁性材料，而是镍铁材料。但由于后者作为软磁性材料无法产生磁场，且可编程化较低，这才改用铁铂材料。

但是，铁铂的比例和铁铂合金的薄膜厚度，也会对磁性材料的磁性产生重要影响，所以他们在加工铁铂双面球材料的过程中，用了近三个月时间，才生产出比较合适的铁铂双面球。

图丨 MAC 的磁性、机械和生物性能表征结果（来源：Science Advances）

那么，他们又为什么要采用 3D 打印这种加工方式呢？

这是因为，他们所使用的双光子 3D 打印机，具有非常高的分辨率，可以达到纳米级别，这正好与天然纤毛的正常尺寸相近。同时，他们还可以打印任意二维或三维的 MAC 阵列，并产生可控的二维或三维的流场，这是之前的人造小纤毛无法实现的。

目前，该团队只是采用了丝素水凝胶和磁性材料来制备小纤毛。未来，他们还计划与材料领域的研究者们合作，用多刺激响应的材料制备人造小纤毛，以实现可编程化程度更高、响应速度更快、更接近天然小纤毛的运动状态。

" 小纤毛对于决定人体是否能够正常生存来说非常重要，我希望它能够得到更多科学领域的关注。" 说。

参考资料：

1. S., Zhang, X., Hu, M., Li. et al. 3D-printed micrometer-scale wireless magnetic cilia with metachronal programmability. Science Advances 9 12（2023）. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf9462

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