近日，中山大學(xué)材料學(xué)院雷宏香副教授研究組使用Aresis China公司的Tweezer系列光鑷，在完全生物兼容的細(xì)胞微馬達(dá)研究中取得重要進展，在Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Controllable cellular micromotors based on optical tweezers”的內(nèi)封底（Inside Back Cover）科研文章。該文章第一作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2016級本科生鄒曉彬，雷宏香副教授為唯一通訊作者。

生物微馬達(dá)可用于生物體微觀尺度范圍內(nèi)裝載、運輸和卸載貨物，調(diào)節(jié)神經(jīng)纖維生長方向，選擇性殺傷癌細(xì)胞，在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要潛在應(yīng)用。但是，生物微馬達(dá)的組裝仍面臨挑戰(zhàn)，如存在安全性、精確可控性和完全生物兼容性等不可兼得問題。 

針對這一關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院雷宏香副教授研究組首次提出了一種基于光鑷的普適性可控細(xì)胞微馬達(dá)組裝技術(shù)，實現(xiàn)具有高度安全性、精確可控性和生物兼容性的細(xì)胞微馬達(dá)。 他們借助光鑷系統(tǒng)產(chǎn)生一個圓形動態(tài)掃描光阱，利用動態(tài)光阱捕獲并驅(qū)動單個細(xì)胞，使其沿著圓形軌跡運動，從而在圓形軌跡內(nèi)部產(chǎn)生一個微型旋渦，位于旋渦內(nèi)的細(xì)胞在剪切應(yīng)力或轉(zhuǎn)矩的作用下即可發(fā)生旋轉(zhuǎn)。重要的是， 細(xì)胞馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速率和方向可通過改變動態(tài)光阱的掃描頻率和掃描方向加以精確控制 。該方法結(jié)合光力操控和水力操控兩種技術(shù)的優(yōu)勢，非接觸、無損傷且不依賴于細(xì)胞的種類和大小，對無運動能力的目標(biāo)細(xì)胞和具有運動能力的目標(biāo)細(xì)胞（即游泳細(xì)胞）都適用。此外，借助該方法還實現(xiàn)了細(xì)胞微馬達(dá)的同步平移和旋轉(zhuǎn)，構(gòu)建了完全生物兼容的細(xì)胞微馬達(dá)陣列。所以，這種技術(shù)在靶向藥物遞送、生物微環(huán)境監(jiān)測、生物傳感以及生物醫(yī)學(xué)治療等方面具有較大的潛在應(yīng)用價值。

細(xì)胞微馬達(dá)的同步平移和旋轉(zhuǎn)。a） 酵母細(xì)胞在1.40 s內(nèi)進行360°旋轉(zhuǎn)。

b）17.10 s內(nèi)細(xì)胞微馬達(dá)平移軌跡的合成圖像。為簡化起見，圖中只保留了初始力矩（t=0）的軌道粒子

文章摘選：
“我們提出了一種新的基于光鑷系統(tǒng)的多功能方法來實現(xiàn)安全性高、可控性好、生物相容性好的細(xì)胞微馬達(dá)。我們在實驗上證明了它不僅對靜止的靶細(xì)胞具有旋轉(zhuǎn)的作用，而且對游動的靶細(xì)胞也有很好的促進作用。與以往的旋轉(zhuǎn)方法相比，該方法既保留了光鑷的靈活性，又保留了水動力的可控性和無害性，為克服光鑷和水動力操縱的一些關(guān)鍵限制提供了一條新的途徑。

首先，這種方法可以應(yīng)用于多種生物細(xì)胞，而不依賴于它們的固有特性；因此，它具有更高的生物相容性，并且有潛力在生物微環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，這意味著它可以在不引入任何外源細(xì)胞的情況下在體內(nèi)產(chǎn)生細(xì)胞微馬達(dá)。例如，光鑷已經(jīng)被用于捕捉活體動物的紅細(xì)胞；以體內(nèi)的紅細(xì)胞為靶細(xì)胞和軌道細(xì)胞，可以實現(xiàn)紅細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)。微型旋渦的位置是可重構(gòu)的，可在沒有明顯的空間限制的情況下有效地完成其任務(wù)。

第二，該方法可以實現(xiàn)細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)，并且可以控制細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)速度和方向。

第三，由于旋轉(zhuǎn)速率可控，該方法可以實現(xiàn)細(xì)胞定向，易于實現(xiàn)植入過程的自動化。

第四，由于旋轉(zhuǎn)力矩是由微型旋渦所施加的粘性力產(chǎn)生的，因此該方法不需要高激光功率來實現(xiàn)靶細(xì)胞的可控旋轉(zhuǎn)，因此對生物樣品是無害的。

第五，由于流體動力取決于流體的性質(zhì)以及樣品表面的形狀和粗糙度，它可以作為一個微型流變儀來探測和表征局部流變特性，例如液體粘度；此外，在探索細(xì)胞對微環(huán)境和藥物的敏感性時，它還可以作為細(xì)胞表面和形狀畸變的指示器，以及感知微觀物體之間相互作用的力。此外，這種方法可以耦合平動和旋轉(zhuǎn)運動，從而產(chǎn)生一個可移動的微型旋渦，非常適合于多功能微馬達(dá)。

最后，利用微流的分布特性和光鑷的非接觸操作優(yōu)勢，該方法能夠組裝細(xì)胞微馬達(dá)檢測器。

該方法在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有潛在的應(yīng)用前景，如制作精確的活體生物傳感器；在不引入外源細(xì)胞的情況下探測生物微環(huán)境；以及監(jiān)測實驗藥物、生物致動器和藥物傳遞的效果。“

本文作者及科研團隊所使用光鑷鏈接：高速多光阱納米光鑷
本文轉(zhuǎn)載自：https://www.sohu.com/a/397336790_120370286
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202002081
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