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  器官芯片是科學(xué)界近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，旨在芯片上模擬生物體復(fù)雜的生理環(huán)境進(jìn)行細(xì)胞、組織和器官等的培養(yǎng),研究并控制其在體外培養(yǎng)過(guò)程中的生物學(xué)行為,在基礎(chǔ)研究、藥物評(píng)價(jià)、干細(xì)胞研究甚至器官移植等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，器官芯片在成本、可控性、有效性以及模擬生物體方面都展現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖1 生物活體材料在器官芯片中的應(yīng)用

  近年來(lái)，鼓樓醫(yī)院趙遠(yuǎn)錦教授課題組在器官芯片領(lǐng)域開展了深入的探索和前沿性的研究，并取得了一系列重要成果。近日，趙遠(yuǎn)錦教授及合作者應(yīng)邀在國(guó)際頂級(jí)期刊Chemical Society Reviews上發(fā)表了題為“Biohybrid robotics with living cell actuation”的綜述文章，對(duì)生物活體材料在仿生器官芯片領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的總結(jié)，對(duì)其面臨的挑戰(zhàn)做出了思考和討論，并且展望了其未來(lái)可能的發(fā)展方向。

  隨著機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、材料科學(xué)以及生命科學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，生物混合機(jī)器人的研發(fā)在近些年來(lái)取得了一系列舉世矚目的成就，并逐步朝著智能化的方向發(fā)展。該綜述首先回顧了生物混合機(jī)器人的發(fā)展歷程，然后分章節(jié)介紹了生物混合機(jī)器人的最新進(jìn)展，其中重點(diǎn)介紹了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如器官芯片構(gòu)建中的應(yīng)用進(jìn)展，對(duì)基于此的多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究具有重要的指導(dǎo)性意義。

  論文的主體部分從構(gòu)建生物混合機(jī)器人的基本要素：柔性材料和生物驅(qū)動(dòng)器開始。研究人員基于先進(jìn)的材料制備方法如模板復(fù)制法、層層自組裝以及新興的3D打印技術(shù)等，對(duì)高分子、水凝膠、碳材料和膠原等柔性材料進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)和加工，用于后續(xù)的細(xì)胞或組織培養(yǎng)。在生物驅(qū)動(dòng)器方面，目前常用的細(xì)胞涉及心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、昆蟲的背血管組織、具有運(yùn)動(dòng)能力的微生物和精子等，如圖2所示。基于這些生物驅(qū)動(dòng)力，生物混合機(jī)器人已經(jīng)獲得了良好的運(yùn)動(dòng)能力并實(shí)現(xiàn)了多樣化的仿生模態(tài)。

圖2 基于不同生物驅(qū)動(dòng)力的柔性機(jī)器人

  為了提升生物混合機(jī)器人精確完成任務(wù)的能力，科研人員通過(guò)引入功能性材料或者對(duì)生物驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行組織工程學(xué)改造，賦予其對(duì)外部刺激如光、電、磁和化學(xué)信號(hào)等的響應(yīng)能力。基于這種刺激響應(yīng)性的特點(diǎn)，生物混合機(jī)器人可以在人為操控下完成游泳、行走、旋轉(zhuǎn)、夾取、滾動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以適應(yīng)不同環(huán)境下的工作需求，如圖3所示。基于這種可控運(yùn)動(dòng)的能力，生物混合機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖3 光學(xué)控制下的生物活體材料

  基于上述內(nèi)容，文章接著對(duì)生物混合機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人以及柔性機(jī)器人，生物混合機(jī)器人由于其出色的生物相容性、運(yùn)動(dòng)性能、可控性、環(huán)境適應(yīng)性以及小尺寸等諸多優(yōu)勢(shì)，在藥物遞送、生物成像和癌癥治療、器官芯片以及組織工程等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 生物活體材料在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用

  最后，文章對(duì)生物混合機(jī)器人當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，包括對(duì)細(xì)胞來(lái)源、材料優(yōu)化以及生物系統(tǒng)的構(gòu)建等多個(gè)方面進(jìn)行了深入的思考和討論。在細(xì)胞方面，干細(xì)胞技術(shù)有望取代復(fù)雜的動(dòng)物提取過(guò)程成為細(xì)胞來(lái)源的新渠道，但是需要考慮降低干細(xì)胞技術(shù)的成本以及如何滿足日益增長(zhǎng)的細(xì)胞需求。此外，有必要從大自然中汲取靈感，通過(guò)細(xì)胞長(zhǎng)期培養(yǎng)甚至實(shí)現(xiàn)細(xì)胞永生化的方法來(lái)延長(zhǎng)生物混合機(jī)器人的工作壽命。在材料制備方面，材料不僅需要滿足生物相容性、穩(wěn)定性、耐久性和靈活性的要求，提供與生物體相似的能夠誘導(dǎo)細(xì)胞定向或分化的環(huán)境也十分重要。在生物系統(tǒng)的構(gòu)建方面，構(gòu)建有效的內(nèi)置循環(huán)系統(tǒng)或仿生血管網(wǎng)絡(luò)來(lái)拓展其工作環(huán)境以及構(gòu)建多細(xì)胞系共培養(yǎng)系統(tǒng)也是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

  相關(guān)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00120a/unauth#!divAbstract