超软超弹磁驱动导航DNA软体机器人用于受限空间细胞递送

近年来,小型机器人在生物医学领域显示出巨大的应用潜力,例如疾病诊断、药物输送和手术治疗。这种毫米到微米级别的小尺寸机器人能够在有限的空间内运动,并到达深层组织。目前大部分小型机器人为硬质材料,通常其灵活性不足,在受限和不规则空间中移动困难,且其高机械强度容易对生物组织造成额外损伤。受自然界软体生物的启发,如软毛虫、章鱼和蚯蚓等,科学家开发出软体机器人以提高对工作环境的适应性。电活性聚合物、形状记忆材料、热响应弹性体和水凝胶材料等被用于构建软体机器人。在这些材料中,水凝胶由于具有灵活可调的机械强度和对外界刺激的灵敏响应能力受到广泛关注。

脱氧核糖核酸(DNA)作为生命遗传分子,是可编程的生物大分子,近年来开始用于制造新型生物材料,尤其是DNA水凝胶材料蓬勃发展(Progress in Polymer Science, 2019, 101163)。DNA水凝胶机械强度低(弹性模量通常低于1000 Pa),特别适合构建软体机器人。

天津大学仰大勇《德国应化》:超软超弹磁驱动导航DNA软体机器人用于受限空间细胞递送

近期,天津大学化工学院仰大勇教授课题组构建了一种基于DNA水凝胶材料的DNA软体机器人。该软体机器人兼具超软和超弹的力学特性,在磁导航驱动下可将细胞递送至受限空间。他们利用滚环扩增反应(RCA)合成DNA水凝胶(如图1所示)。长链DNA间物理缠绕形成动态交联点,DNA修饰的磁性纳米粒子作为永久交联点,共同构建独特的水凝胶双网络。这种磁性DNA水凝胶的弹性模量低于1 Pa,表现出超软特性;且可被拉伸13倍,表现出超弹特性。基于水凝胶的独特性能,他们设计了一种具有形状适应性的DNA软体机器人。在磁驱动下,DNA机器人可运动通过比自身体积更小的狭窄通道,还可进入不规则形状的凹槽空间,甚至可完成复杂路径迷宫中的行走任务。更重要的是,DNA水凝胶具备三维多孔结构和良好的生物相容性,可作为细胞的三维培养载体材料,在磁导航驱动下将细胞递送至受限空间,且不影响细胞的活性。该DNA软体机器人可望用于诊断治疗、可植入医疗设备和微创手术等重要生物医学相关领域。

天津大学仰大勇《德国应化》:超软超弹磁驱动导航DNA软体机器人用于受限空间细胞递送
图1:DNA软体机器人的分子设计原理图。

 

全文链接:

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

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