東南大學趙遠錦團隊Chem. Soc. Rev.：活細胞驅動的生物雜化機器人

【引言】

作為自然界中生物體仿真的對象，目前的軟體機器人在模擬生物行為和執行任務方面取得了巨大的成功，得益于靈活性和適應性的優勢。通過引入功能元素，軟體機器人可以在綜合電、熱、磁、化學刺激的情況下，獲得外部控制下的可控性和多功能性。在軟體機器人中，由活細胞和柔性材料結合而成的生物雜化機器人已經能夠復制出與生物體相似的器官或組織的結構和功能，這種結合是由于制造技術的進步和組織工程的進步。與傳統動力裝置相比，生物致動器在固有的柔軟性、環境安全性和兼容性、顯著的能量轉換效率以及集成的傳感和控制系統等方面具有優勢。生物雜化機器人以具有收縮性能的活組織和具有運動能力的微生物等生物部件為驅動器，結合材料有效的微結構設計，實現了多種類人仿生行為和功能。總的來說，生物雜化機器人可以模擬體內各向異性的微觀結構，并表現出與人類相似的組織或器官功能，由于在生物醫學領域的巨大潛力而成為一個新的研究方向。

【成果簡介】

近日，在南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授、孫凌云教授、中國科學院大學溫州研究所葉方富研究員團隊等人帶領下，與徐州醫科大學和中國科學院物理研究所合作，對生物雜交機器人的相關研究進行了全面的綜述和總結。在自然界中，生物體表現出了良好的柔軟性、極高的能量轉換效率以及靈活的尺度，這對于制造新一代機器人具有非凡的啟發意義。在這篇綜述中，作者討論了各種生物雜交機器人的最新研究。作者依次介紹了生物雜交機器人的基本部件及其構建過程，包括材料的制造方法及其與活體組織的結合等。隨后，通過典型實例，討論了生物雜交機器人的控制機制及其目前已經實現的運動模式。本文重點介紹了生物雜交機器人在生物醫學領域的應用如藥物遞送和構建器官芯片等。最后，提出了開發新一代生物雜化機器人所面臨的一些挑戰并展望了其未來的發展前景。該成果以?“Biohybrid robotics with living cell actuation”為題發表在了Chem. Soc. Rev.上。

【圖文導讀】

圖1 心肌細胞驅動的生物雜化機器人

圖2 骨骼肌細胞驅動的生物雜化機器人

圖3?其他生物致動器驅動的生物雜化機器人

圖4?構建生物機器人的PDMS襯底的制造工藝方案

圖5?基于各種水凝膠襯底的生物雜化機器人

圖6?基于其他功能材料襯底的生物雜化機器人

圖7?光信號控制下生物雜化機器人

圖8?電脈沖控制下的生物雜化機器人

圖9?化學信號控制下的生物雜化機器人

圖10?游泳型生物雜化機器人

圖11?心肌細胞片驅動的生物混合泵

圖12?生物雜化機器人的多種運動模態

圖13?生物雜化機器人在藥物遞送中的應用

圖14?生物雜化機器人在生物成像中的應用

圖15?生物雜化機器人在器官芯片中的應用

【小結】

在這篇綜述中，團隊全面總結了生物雜化機器人的最新進展，包括其基本組件的開發、控制方法和初步應用。經過大量研究人員的努力，生物雜化機器人正在經歷一場快速而重大的變革，這可能會顯著影響到各個領域，包括生物、醫學和工程領域。盡管在生物雜化機器人領域已經取得了很大的進展，但仍然存在一些挑戰，阻礙了實驗室研究解決現實問題的進程。因此，在生物雜化機器人技術的發展過程中，有幾個重要的問題需要考慮和解決。首先，需要討論生物雜化機器人的生物成分。目前，可用的細胞來源過于有限，無法滿足日益增長的研究需求。干細胞技術是解決這一問題的有效途徑，使用這項技術也可以避免倫理問題和復雜的動物提取過程。雖然相關的干細胞分化方案早在幾十年前就已經開發出來了，但目前的成本仍然很高，而且該技術不能滿足巨大的市場需求。此外，大多數生物雜化機器人的壽命非常短。生物雜化機器人的運動能力維持時間不能超過幾個月，這影響了它們的實際應用價值，而生物可以很好地解決這個問題。因此，有必要尋找能夠產生長期細胞培養甚至實現細胞永生的方法。

第二個問題是關于軟材料的性能優化。為了保持生物雜化機器人的運動性能，材料應滿足良好的生物相容性、穩定性、耐久性和柔性的要求。雖然各種各樣的軟性材料已被廣泛應用于構建生物雜化機器人，但這些材料仍難以有效地提供與生物體相似的誘導細胞定向或分化的環境。考慮到這一點，材料科學和制造技術應該更緊密地結合起來，用生物啟發的形態和功能設計來制造更先進的軟材料。

第三個問題涉及生物系統的建設。幾乎所有的生物雜化機器人都是在液體環境中培養和測試的，這極大地限制了它們的實際應用。盡管人們已經嘗試將生物雜化機器人封裝在密封的介質中，用于大氣運行，但構建的生物雜化機器人系統僅能維持幾天的生命力。因此，建立一個與人相似的內置循環系統或仿生血管網絡，實現與培養基環境的有效分離，是生物雜化機器人有前景的發展方向之一。此外，還應該將響應元件和人工智能集成到機器人系統中，實現可控甚至自主的行為。在這種情況下，循環過程可以通過光學或電信號干擾來控制，以確保生物雜化機器人的穩定性。

此外，目前的生物雜化機器人大多是為了完成單一功能而設計的。事實上，機器人的發展前景在于構建能夠執行有用任務的復雜系統，需要具備多種功能，以適應不同的環境，因此，機器人的發展前景在于構建復雜的系統。在這方面，應研究和開發生物雜化機器人的多功能性。

綜上所述，生物雜化機器人表現出卓越的性能，并在廣泛的領域中具有實用潛力。未來的工作可能集中在提高生物雜交機器人的性能以及研究其在生物和醫學領域的應用。

文獻鏈接：Biohybrid robotics with living cell actuation（Chem. Soc. Rev.，2020，DOI:10.1039/D0CS00120A）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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