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    南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授CSR:生物活體材料構建器官芯片
    2020-05-19  來源:高分子科技

      器官芯片是科學界近年來的研究熱點,旨在芯片上模擬生物體復雜的生理環境進行細胞、組織和器官等的培養,研究并控制其在體外培養過程中的生物學行為,在基礎研究、藥物評價、干細胞研究甚至器官移植等諸多領域具有廣闊的應用前景。相比于傳統的二維細胞培養和動物實驗,器官芯片在成本、可控性、有效性以及模擬生物體方面都展現出無可比擬的優勢。


    圖1 生物活體材料在器官芯片中的應用


      近年來,鼓樓醫院趙遠錦教授課題組在器官芯片領域開展了深入的探索和前沿性的研究,并取得了一系列重要成果。近日,趙遠錦教授及合作者應邀在國際頂級期刊Chemical Society Reviews上發表了題為“Biohybrid robotics with living cell actuation”的綜述文章,對生物活體材料在仿生器官芯片領域的應用現狀進行了全面的總結,對其面臨的挑戰做出了思考和討論,并且展望了其未來可能的發展方向。


      隨著機器人學、仿生學、材料科學以及生命科學等學科的快速發展,生物混合機器人的研發在近些年來取得了一系列舉世矚目的成就,并逐步朝著智能化的方向發展。該綜述首先回顧了生物混合機器人的發展歷程,然后分章節介紹了生物混合機器人的最新進展,其中重點介紹了其在生物醫學領域如器官芯片構建中的應用進展,對基于此的多學科交叉領域的研究具有重要的指導性意義。


      論文的主體部分從構建生物混合機器人的基本要素:柔性材料和生物驅動器開始。研究人員基于先進的材料制備方法如模板復制法、層層自組裝以及新興的3D打印技術等,對高分子、水凝膠、碳材料和膠原等柔性材料進行仿生設計和加工,用于后續的細胞或組織培養。在生物驅動器方面,目前常用的細胞涉及心肌細胞、骨骼肌細胞、昆蟲的背血管組織、具有運動能力的微生物和精子等,如圖2所示。基于這些生物驅動力,生物混合機器人已經獲得了良好的運動能力并實現了多樣化的仿生模態。


    圖2 基于不同生物驅動力的柔性機器人


      為了提升生物混合機器人精確完成任務的能力,科研人員通過引入功能性材料或者對生物驅動器進行組織工程學改造,賦予其對外部刺激如光、電、磁和化學信號等的響應能力。基于這種刺激響應性的特點,生物混合機器人可以在人為操控下完成游泳、行走、旋轉、夾取、滾動等多種運動形態,以適應不同環境下的工作需求,如圖3所示。基于這種可控運動的能力,生物混合機器人在生物醫學領域展現出巨大的應用潛力。


    圖3 光學控制下的生物活體材料


      基于上述內容,文章接著對生物混合機器人在生物醫學領域的應用進行了介紹。相比于傳統的剛性機器人以及柔性機器人,生物混合機器人由于其出色的生物相容性、運動性能、可控性、環境適應性以及小尺寸等諸多優勢,在藥物遞送、生物成像和癌癥治療、器官芯片以及組織工程等領域都展現出廣闊的應用前景。


    圖4 生物活體材料在藥物遞送領域的應用


      最后,文章對生物混合機器人當前面臨的挑戰和未來的發展方向進行了展望,包括對細胞來源、材料優化以及生物系統的構建等多個方面進行了深入的思考和討論。在細胞方面,干細胞技術有望取代復雜的動物提取過程成為細胞來源的新渠道,但是需要考慮降低干細胞技術的成本以及如何滿足日益增長的細胞需求。此外,有必要從大自然中汲取靈感,通過細胞長期培養甚至實現細胞永生化的方法來延長生物混合機器人的工作壽命。在材料制備方面,材料不僅需要滿足生物相容性、穩定性、耐久性和靈活性的要求,提供與生物體相似的能夠誘導細胞定向或分化的環境也十分重要。在生物系統的構建方面,構建有效的內置循環系統或仿生血管網絡來拓展其工作環境以及構建多細胞系共培養系統也是未來的發展方向之一。


      相關研究工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。


      原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00120a/unauth#!divAbstract

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