吴东课题组Adv.Mater：远程可控的磁控微纳机器人用于靶向药物治疗

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诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德·费曼曾在1959年率先提出利用微型机器人治病的想法，用他的话说，就是将“外科医生”吞下。随着微纳米加工技术的发展，加工这些可以被吞下的“外科医生”成为现实，人们通常把这些“外科医生”称为人造微纳机器人。受自然界微生物自由运动启发，人造微纳机器人近些年得到了广泛的关注与研究，通过电场、磁场、光场等手段可以有效地驱动这些微纳机器人，在无创手术、靶向药物运输和生物传感检测等领域具有广泛的应用。在多种驱动方案中，磁场驱动可以无线式精确操纵微纳机器人，改变外部磁场梯度和方向，会对微纳机器人施加力和力矩，进而使其沿着期望的轨迹运动。

　　近期，中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程实验室在利用调制结构光场高效加工微纳机器人及其细胞移植、靶向药物运输方面取得新进展。他们通过将调制的涡旋光束进行单次快速曝光或三维空间扫描加工出泳动性能与装载货物能力更强的空心管形和锥形螺旋结构，并利用该结构进行神经干细胞的体外移植、靶向药物运输治疗肿瘤细胞。相关成果分别发表在《先进材料》和《先进功能材料》上[Adv. Mater., 31, 1808226, 2019; Adv. Funct. Mater., 29, 1905745, 2019]。
　　在上述工作中，研究人员设计具有特殊相位信息的光场全息图，并将其加载于空间光调制器面板上，调制出的三维涡旋光场可用于高效加工空心管状和锥形螺旋结构，相比于传统的激光直写加工（DLW），光场加工速度最快提高了600倍。除此之外，利用该方法也可以灵活可控地加工出不同参数的管状与螺旋结构，大大提高了复杂三维结构的加工能力。
　　其次，利用如锥形空心螺旋结构，并在其表面加入磁性响应材料。采用自行搭建的三维亥姆霍兹线圈控制系统，调节输入电流的相位信息在三维空间内形成旋转磁场，磁场方向的改变使磁性结构受到磁力矩作用，进而完成有效驱动。经对比发现锥形螺旋相比于传统的直螺旋结构具有更快的前进速度，并有效抑制了横向漂移运动。
　　除此之外，利用磁场梯度和方向的变化可以有效完成微结构的精确导向，空心锥形螺旋在旋转磁场下完成各种复杂图案化轨迹运动，空心管状结构在梯度磁场下完成SiO2微球的装载、运输、排列与释放。
　　最后，研究人员利用锥形空心螺旋结构内部与外部分别装载纳米及微米级货物，并在体外完成了神经干细胞的移植；利用管状微结构装载运输抗癌药物（DOX）对癌细胞（Hela）进行有效治疗，并通过荧光验证治疗效果。这些工作提出了简单稳定的空心管状、锥形螺旋微电机加工操纵技术，在细胞移植、体内药物运输、无创手术等领域具有重要应用前景，为相关生物医疗领域提供了新的技术手段。
　　工程科学学院博士生辛晨、杨亮为论文的第一作者，教授吴东和副教授胡衍雷为论文的共同通讯作者。这项工作得到国家自然科学基金重大仪器、中科院和科技部重点研发计划的支持。


       吴东教授于2005年在吉林大学电子科学与工程学院开始读研，师从孙洪波教授，2010年6月获博士学位，2012年荣获全国优秀百篇博士论文奖。2011年6月在日本理化学研究所（RIKEN）做博士后，2013年入选中组部第五批青年##计划，2014年中国科学技术大学教授。吴教授的科研方向主要集中利用超快激光与材料的非线性作用和计算机控制扫描实现多种材料、高精度、三维加工和复杂造型能力，并提出了若干加工新原理和关键技术，以及将其应用于微光学、微机械、微流控和仿生表面等微纳结构和器件的制备，在Nature Photonics, Nature Communications, Light:Sci & Appl. (2篇，Nature系列子刊，1篇入选ESI“高被引论文”)，PNAS(美国科学院院刊)，Adv.Mater.，ACS Nano.，Laser Photon.Rev., Lab Chip（6篇，微流芯片领域top期刊）, APL（11篇），Opt.Lett./Opt.Express（15篇）等杂志发表相关论文70余篇，其中影响因子3.0以上62篇，9.0以上17篇。所发表的论文被杂志封面采用、专题评价、最高下载和转载累计50篇次，已被他引2000余次。相关研究受到##计划、中科院仪器专项、科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。