导读：

微型游泳器作为主动“货物”输送载体，在生物医学应用中具有巨大的潜力。然而，设计具有有效推进、理想装载和自适应释放能力的微型游泳器仍然存在巨大挑战。受精子形态和生物功能的启发，近期，香港科技大学申亚京教授团队通过开发涡旋湍流辅助微流控（VTAM）平台，提出了制备多态精子样磁性微型游泳器（PSM）的一步形成策略。相关研究以“One-step formation of polymorphous sperm-like microswimmers by vortex turbulence-assisted microfluidics”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。

本文要点：

1、本研究提出了一种基于涡旋湍流辅助微流控（VTAM）技术制造多态仿生精子样微型游泳器（PSM）的新策略。制备出的PSM具有生物可降解性，由柔性尾部和核壳头部组成。

2、通过调节涡流转速和钙离子浓度，可制造出不同形态的PSM，包括螺旋头、规则头和不规则头。这些PSM在磁场作用下表现出有效的运动能力，并具有保护性的药物装载能力。

3、通过在微型游泳器表面涂覆海藻酸盐-壳聚糖-海藻酸盐（ACA）膜层，还可实现稳定的药物缓释。

4、该研究提出并验证了一种新的仿生精子样微型游泳器构建策略，为未来生物医学治疗中的靶向药物递送提供了一种替代方案。

5、此外，所提出的涡旋湍流辅助微流控技术也可用于制造其他复杂多态结构，这是传统层流装置无法实现的。

全文总结/概括：

VTAM技术是如何实现一步形成多形态精子样磁性微型游泳器（PSM）的？

1、单分散磁性藻酸盐/油滴的制备：

• 采用十字形微流控芯片，将1%藻酸盐溶液（含Fe3O4纳米颗粒）作为分散相，将含Span 80的石蜡油作为连续相，在剪切和挤压作用下形成直径约35-40μm的单分散磁性藻酸盐/油滴。

2、尾部的抽出：

• 将形成的油滴通过毛细管输送到含有1-2%CaCl₂溶液的涡流容器中。在高速涡流的作用下，油层破裂，内部的磁性藻酸盐溶液被抽出形成细长尾部。尾部长度与涡流速度呈正相关。

3、微型游泳器的固化：

• 暴露在CaCl₂溶液中的磁性藻酸盐溶液发生快速交联固化，形成具有不同形态头部（规则、不规则、螺旋）和柔性尾部的PSM。

• CaCl₂浓度的调节可以控制固化速度，从而得到不同形态的PSM。

通过这一连续的微流控制造过程，VTAM技术能够一步制备出具有可控头部形态和柔性尾部的PSM，实现了对微型游泳器结构的精准调控。

PSM的主要优势包括：

1、运动能力：

• 受启发于精子的运动机制，PSM具有柔性尾部和多形态头部，能够在低雷诺数环境下实现有效的推进运动。

• 与常规头部和不规则头部的微型游泳器相比，具有螺旋头部的PSM在相同磁场条件下具有更高的运动速度（最高可达22μm/s）和更好的运动轨迹稳定性（约90%）。

2、装载能力：

• PSM的核壳头部结构可以实现有效的材料装载，避免了传统微型游泳器表面涂层或内部掺杂方法可能导致的药物活性降低问题。

3、缓释性能：

• 在PSM表面涂覆ACA膜层后，可以实现药物的稳定持续释放。ACA膜层的厚度可以控制释放速率，并提供pH响应的选择性通透性。

• 与未涂层的PSM相比，ACA涂层的PSM在酸性环境下具有更好的稳定性，在中性或碱性环境下可实现持续缓释。

总之，PSM兼具有效运动能力、理想装载能力和可控缓释性能，为未来生物医学治疗中的靶向药物传递提供了一种替代方案。

图1.通过VTAM制备多形态精子样微型游泳器（PSM）的示意图。

图2.PSM形成的物理原理。

图3.流速/Ca²⁺浓度对多形态尾部磁性微型游泳器形成的影响。

图4.PSM的驱动和运动控制。

图5.ACA涂覆PSM的pH响应性持续释放。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49043-0