Роботизированная сперма
| Часть серии о |
| Движение микробов и микроботов |
|---|
 |
| Микропловцы |
| Молекулярные моторы |
Роботизированная сперма (также называемая спермботами ) — это биогибридные микророботы, состоящие из сперматозоидов и искусственных микроструктур. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] В настоящее время существует два типа спермботов. Первый тип, трубчатый спермобот, состоит из одной сперматозоида, который захватывается внутри микропробирки. Отдельные бычьи сперматозоиды попадают в эти микропробирки и задерживаются внутри. Хвост сперматозоида является движущей силой микропробирки. [ 1 ] Второй тип, спиральный спермобот, представляет собой небольшую спиральную структуру, которая захватывает и транспортирует отдельные неподвижные сперматозоиды. В этом случае вращающееся магнитное поле приводит спираль в винтовое движение. Оба типа спермоботов могут управляться слабыми магнитными полями. [ 2 ] Эти две конструкции спермботов представляют собой гибридные микроустройства, они состоят из живой клетки в сочетании с синтетическими насадками. Существуют и другие подходы к созданию чисто синтетических микроустройств, вдохновленных плаванием естественных сперматозоидов, то есть с биомиметической конструкцией, например, так называемые «Магнетоспермы», которые состоят из гибкой полимерной структуры, покрытой магнитным слоем и могут приводиться в действие магнитным полем. . [ 4 ]
Дизайн
[ редактировать ]Трубчатые спермботы
[ редактировать ]Первоначально микропробирки для трубчатых спермботов изготавливались с использованием рулонной нанотехнологии на фоторезисте . [ 5 ] В этом процессе тонкие пленки титана и железа на жертвенный слой наносились . После удаления жертвенного слоя тонкие пленки сворачивались в микротрубки длиной 50 мкм и диаметром 5–8 мкм. Позже микропробирки были изготовлены из термочувствительного полимера, чтобы обеспечить контролируемое высвобождение сперматозоидов при небольшом изменении температуры на несколько градусов. [ 6 ]
Трубчатые спермоботы собираются путем добавления большого количества микропробирок к разбавленному образцу спермы под микроскопом. Сперматозоиды случайным образом попадают в микропробирки и задерживаются в их слегка конической полости. Чтобы повысить эффективность сцепления между сперматозоидами и микротрубками, микротрубки были функционализированы белками или хемоаттрактантами сперматозоидов . Это было сделано с использованием тиоловой химии после свертывания трубок или путем переноса молекул с помощью эластомерного штампа на материал перед свертыванием трубок. [ 7 ]
Спиральные спермботы
[ редактировать ]Спиральные сперматозоиды собираются путем наведения магнитной микроспирали на отдельную клетку сперматозоида, тем самым удерживая ее хвост внутри просвета спирали и выталкивая головку сперматозоида вперед. Сперматозоид слабо связан со спиралью, и его можно высвободить, изменив вращение спирали на противоположное, позволяя ему выйти из головки и при этом освободить ограниченный хвост. Такие микроспирали изготавливались методом прямой лазерной литографии и покрывались никелем или железом для намагничивания. [ 2 ]
Навигация
[ редактировать ]Роботизированную сперму можно перемещать с помощью слабых внешних магнитных полей мощностью в несколько мТл . Эти поля могут создаваться постоянными магнитами или набором электромагнитов . Приложенное магнитное поле может быть однородным, вращающимся или градиентным . [ 8 ] Трубчатыми и спиральными спермботами также можно управлять по схеме управления с замкнутым контуром с помощью электромагнитной катушки . [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]Спермоботы обещают потенциальное применение в манипуляциях с отдельными клетками и вспомогательной репродукции , а также для целевой доставки лекарств . Недавнее исследование показывает, что модифицированные трубчатые сперматозоиды можно использовать для доставки лекарств от рака . [ 10 ] В этом случае сперматозоид нагружен доксорубицином . Искусственная микроструктура, изготовленная с помощью двухфотонной нанолитографии, захватывает сперматозоид, нагруженный лекарством. Сперматозоид является источником активации магнитной микроструктуры и может направить ее к раковым сфероидам . В этом месте сперма, нагруженная лекарством, высвобождается пружинным механизмом, и сперматозоид доставляет лекарство к раковым клеткам.
Перспективы
[ редактировать ]Роботизированные сперматозоиды как микропловцы интересны для различных биомедицинских применений, особенно для новых методов вспомогательного оплодотворения и для целевой доставки терапевтического груза. Эти микропловцы предназначены для работы в условиях in vivo , и эта особенность может произвести революцию в технологиях вспомогательной репродукции и наномедицине в будущем. [ 11 ] Появляются новые конструкции, и на основе представленной здесь концепции можно найти множество применений. [ 3 ] [ 11 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Магданц, Вероника; Санчес, Сэмюэл; Шмидт, Оливер Г. (2013). «Разработка микробиоробота, приводимого в движение сперматозоидами и жгутиками» . Продвинутые материалы . 25 (45): 6581–6588. дои : 10.1002/adma.201302544 . ПМИД 23996782 .
- ^ Перейти обратно: а б с Медина-Санчес, Мариана; Шварц, Лукас; Мейер, Энн К.; Хебенстрейт, Франциска; Шмидт, Оливер Г. (2016). «Доставка клеточных грузов: к вспомогательному оплодотворению с помощью микромоторов, несущих сперму». Нано-буквы . 16 (1): 555–561. Бибкод : 2016NanoL..16..555M . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b04221 . ПМИД 26699202 .
- ^ Перейти обратно: а б Магданц, Вероника; Медина-Санчес, Мариана; Шварц, Лукас; Сюй, Хайфэн; Эльгети, Йенс; Шмидт, Оливер Г. (2017). «Сперматозоиды как функциональные компоненты роботов-микропловцов». Продвинутые материалы . 29 (24): 1606301. doi : 10.1002/adma.201606301 . ПМИД 28323360 .
- ^ Халил, Ислам С.М.; Дейкслаг, Герман К.; Абельманн, Леон; Мисра, Сартак (2014). «Магнетосперма: микроробот, который перемещается с помощью слабых магнитных полей». Письма по прикладной физике . 104 (22): 223701. Бибкод : 2014АпФЛ.104в3701К . дои : 10.1063/1.4880035 .
- ^ Мэй, Юнфэн; Хуан, Гаошань; Соловьев Александр Александрович; Бермудес Уренья, Эстебан (2008). «Универсальный подход к созданию интегративных и функционализированных трубок путем деформации наномембран на полимерах». Продвинутые материалы . 20 (21): 4085–4090. дои : 10.1002/adma.200801589 .
- ^ Магданц, Вероника; Гикс, Мария; Хебенстрейт, Франциска; Шмидт, Оливер Г. (2016). «Динамические полимерные микротрубки для дистанционного захвата, управления и высвобождения сперматозоидов». Продвинутые материалы . 28 (21): 4084–4089. дои : 10.1002/adma.201505487 . ПМИД 27003908 .
- ^ Магданц, Вероника; Медина-Санчес, Мариана; Чен, Ян; Гикс, Мэри; Шмидт, Оливер Г. (2015). «Как улучшить производительность спермобота». Передовые функциональные материалы . 25 (18): 2763–2770. дои : 10.1002/adfm.201500015 .
- ^ Чжан, Ли; Эбботт, Джейк Дж.; Донг, Ликсинг; Краточвил, Брэдли Э.; Белл, Доминик; Нельсон, Брэдли Дж. (2009). «Искусственные бактериальные жгутики: изготовление и магнитный контроль». Письма по прикладной физике . 94 (6): 064107. Бибкод : 2009ApPhL..94f4107Z . дои : 10.1063/1.3079655 .
- ^ Халил, Ислам С.М.; Магданц, Вероника; Санчес, Сэмюэл; Шмидт, Оливер Г.; Мисра, Сартак (2013). «Трехмерное замкнутое управление самоходными микродвигателями». Письма по прикладной физике . 103 (17): 172404. Бибкод : 2013ApPhL.103q2404K . дои : 10.1063/1.4826141 .
- ^ Сюй, Хайфэн; Медина-Санчес, Мариана; Магданц, Вероника; Шварц, Лукас; Хебенстрейт, Франциска; Шмидт, Оливер Г. (2017). «Сперматозно-гибридный микромотор для доставки лекарств в женские половые пути». АСУ Нано . 12 (1): 327–337. arXiv : 1703.08510 . дои : 10.1021/acsnano.7b06398 . ПМИД 29202221 .
- ^ Перейти обратно: а б Медина-Санчес, Мариана; Шмидт, Оливер Г. (2017). «Медицинские микроботы нуждаются в улучшении визуализации и контроля» . Природа . 545 (7655): 406–408. Бибкод : 2017Natur.545..406M . дои : 10.1038/545406а . ПМИД 28541344 .