以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
现代微/纳米机器人可以执行生物医学和环境应用的多项任务。磁性微型机器人可以完全由旋转磁场控制，并且无需使用有毒燃料即可为它们的运动提供动力和控制，使其在生物医学中具有广阔的应用前景。此外，它们能够形成集群，从而使它们能够比单个微型机器人更大规模地执行特定任务。
近日，来自布拉格化学与技术大学的Martin Pumera团队开发了一种磁性微型机器人，这些磁性微型机器人通过自下而上的受控组装多个纳米尺寸的组件，如埃洛石纳米管(HNT)、氧化铁(Fe3O4)纳米颗粒和聚乙烯亚胺 (PEI)，用于加载广谱抗生素氨苄青霉素(Amp)（方案1）。在此设计中，微型机器人骨架中的HNT和Fe3O4纳米粒子调节微型机器人的磁驱动。基于HNT和Fe3O4纳米粒子的磁性微型机器人随后被高分子量PEI覆盖，以便进行抗生素涂层。利用涡旋运动模式穿透破坏骨修复用钛网上定植的生物膜的细胞外基质，提高抗生素的活性效果。
相关研究成果以“Multimodal-Driven Magnetic Microrobots with Enhanced Bactericidal Activity for Biofilm Eradication and Removal from Titanium Mesh”为题于近期发表在《Advanced Materials》上。
方案1 HNT-Fe3O4@PEI/Amp微型机器人的制造、运动能力和抗菌活性
1. 磁性微型机器人的特性
磁性微型机器人，命名为 HNT-Fe3O4@PEI/Amp，通过自下而上的控制组装每个纳米组件来制备。TEM表明，Fe3O4颗粒呈均匀的形状和尺寸分布，长度约为200 nm，而HNT呈均匀的管状，长度约为400 nm；此外，HR-TEM和SAED证明了两种材料的高结晶度。图 1C 中显示的所得材料的图像证明了两种材料（HNTs和Fe3O4）的存在；图 1D 显示了覆盖有PEI薄层的Fe3O4-HNT。
图1 磁性微型机器人自下而上的受控组装过程中不同放大率下的 TEM 图像和每个组件的 SAED
对自上而下组装的HNT-Fe3O4@PEI 磁性纳米机器人每个组件的TEM图像进行EDX元素映射。图 2A 显示了原始Fe3O4的元素映射 EDX，证明了Fe和O的存在。此外，在HNT的EDX元素映射中观察到元素 Si、Al和O（图 2B）。当两种材料组合在一起时，EDX元素映射显示存在 Fe、Si、Al 和O（图2C）。最后，在Fe3O4-HNT /PEI 样品中，EDX 元素映射显示存在对应于PEI的N，以及对应于Fe3O4和 HNT 的 Fe、Si、Al 和O（见图 2D）。
图2 磁性纳米机器人自下而上控制组件的每个组件的 TEM 图像的 EDX 元素映射
接着，为了确认PEI在Fe3O4-HNT表面上的成功覆盖，作者对Fe3O4纳米颗粒、Fe3O4-HNT和Fe3O44-HNT /PEI样品进行了热重分析（图3A）。样品的残余质量随温度变化而变化，综合考虑表明PEI的成功覆盖。此外，通过Z电位测量进一步监测Fe3O4-HNT /PEI@Amp 磁性微型机器人的成功制造（图3B）。
图3 热重分析和zeta电位测量
2. 磁性微型机器人的磁场动力学
接着，作者进一步研究了它们在横向磁场下的动力学。作者首先研究了单个 Fe3O4-HNT/PEI@Amp 微型机器人的磁驱动。图 4A和视频S1显示，在低频（0.3–2 Hz）下，微型机器人表现出翻滚运动；在更高的频率（4-10 Hz）下，单个Fe3O4-HNT/PEI@Amp微型机器人的翻滚运动看起来像一个高速微型螺旋桨（图4A右面板和视频S2）。此外，通过使用横向旋转磁场，可以通过改变二维表面上旋转平面的角度来完全定向控制Fe3O4-HNT/PEI@Amp微型机器人（图4B和视频S3）。
图4 Fe3O4-HNT/PEI@Amp 微型机器人运动评估
视频S1 低频（0.3–2 Hz）下微型机器人的运动
视频S2 高频（4-10 Hz）下微型机器人的运动
视频S3 横向旋转磁场下微型机器人的运动
此外，作者还评估了由编程的顺时针圆形旋转角度在不同频率下产生的旋转运动（图5A）。在这种运动模式下，磁性微型机器人的位移随着频率从0.3到2 Hz的增加而增加；然而，在更高的频率下，位移逐渐减小。最后，作者评估了一个微型机器人在 1 Hz 下的多模态运动结合的翻滚和旋转。图 5B显示了单个微型机器人的跟踪线，它可以轻松地从翻滚模式切换到旋转模式，然后再回到翻滚模式。此外，微型机器人能够避开障碍物并返回其原始路径。
图5 单个微型机器人的运动
群体微/纳米机器的特性具有更高的有效性、稳健性和对多种环境的适应性。作者进一步评估了群体中磁性微型机器人的自组织。在高频横向旋转磁场下，磁性微型机器人表现出翻滚运动。此外，两个或多个微型机器人很容易在带状群中相遇并同步它们的运动（图6）。
图6 群体多模态运动
3. 磁性微型机器人去除生物膜的评价
为了证明生物膜的根除和破坏，作者利用LIVE/DEAD 染色进行了评估（图 7A）。未经处理的生物膜（图7A）呈现出丰富的活细菌（绿点），而在磁驱动下用磁性微型机器人处理的生物膜仅含有少量细菌，其中大部分已经死亡（图7B)。此外，使用结晶紫染色（图7C，D）和培养方法（图 7E）确定了在磁驱动下用磁性微型机器人处理后细菌存活的生存能力。结晶紫染色结果显示，完整的生物膜比用微型机器人处理的生物膜染色更强烈（图 7C）。图 7E所示结果表明，在用磁性微型机器人处理后并在磁性（动态）驱动下（见绿色和红色列），活细菌的相对数量减少了四个数量级。
图7 磁性微型机器人在平面（培养皿）上的抗菌评价
综上，本文开发了基于HNT骨架和Fe3O4磁致动器的磁性微型机器人。这些微型机器人涂上PEI以加载氨苄青霉素并获得Fe3O4-HNT /PEI@Amp磁性微型机器人。进行了系统的化学和形态表征以确保它们的成功组装。PEI层的作用是装载氨苄青霉素并防止微型机器人分解。此外，PEI还担任β-内酰胺增效剂，有助于氨苄西林从细菌生物膜中有效杀死和清除高达99%的细菌。磁性微型机器人群能够在带状运动模式和涡流运动模式之间来回切换。最后，这种涡群行为可用来穿透金黄色葡萄球菌生物膜的细胞外刚性基质，以实现其几乎完全根除并从用于骨修复的受感染钛网中去除。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202300191
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