磁性微藻生物杂交体：受限环境导航的突破与应用潜力

《Matter》：Navigating microalgal biohybrids through confinements with magnetic guidance

本文介绍微藻生物杂交体设计策略，探究其在受限环境运动特性，助力生物医学等领域应用。

　　

在生命科学和健康医学领域，微生物在受限环境中的运动机制一直是科研人员关注的焦点。近年来，微藻生物杂交体作为一种新型的微观结构，展现出了在复杂环境中独特的运动能力和潜在的应用价值。本文将深入探讨磁性微藻生物杂交体在受限环境中的导航研究进展。

一、生物杂交体研究背景

生物杂交微机器人是结合了细胞自推进能力与人工微纳米载体的微观结构。在众多可用于构建生物杂交微机器人的细胞来源中，微藻，尤其是莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii，CR），因其具有光响应性、生物相容性、高效的鞭毛推进能力以及独特的生理特性，在生物杂交微游泳器研究中备受瞩目。

在实际应用中，生物杂交微机器人在受限微环境（如生物基质、紧密连接或血管系统）中的有效导航至关重要。光控虽然对控制绿色微藻生物杂交体具有优势，但在现实应用中，光的穿透性有限，这极大地限制了其应用范围。相比之下，磁性操纵成为了一种更具潜力的控制方法，通过将磁性材料共轭到微藻表面使其磁化，从而实现对微藻生物杂交体的有效控制。然而，目前微藻生物杂交体的精确磁性操纵仍面临诸多挑战，例如基于模板的策略可能导致微生物失去推进能力， harsh conjugations 会降低游泳速度，以及低生产产量导致群体可控性不足等问题。此外，对于微藻生物杂交体在异质微环境（如高粘度和受限空间）中的导航行为，人们的了解还十分有限。因此，开发一种具有高通量制造、能保持运动性且具备外部可操纵性的微藻生物杂交体设计，对于深入研究极端环境下的推进基本原理至关重要。

二、微藻生物杂交体的制备与表征

在这项研究中，科研人员选择了 CR 作为生物组件。CR 是一种双鞭毛真核单细胞，其细胞壁带有负电荷的羧基，使得细胞表面整体呈负电性。利用这一特性，研究人员将阳离子磁性材料引入微藻细胞。具体来说，他们开发了一种由胺功能化磁性纳米粒子（MNPs）和阳离子壳聚糖（CS）溶液组成的涂层混合物。当该混合物分散时，带正电的 CS/MNP 混合物会与 CR 的细胞壁结合，形成涂层网络。通过这种温和的静电相互作用，成功地将人工单元整合到运动的微藻上，避免了使用 harsh chemicals 或长时间的孵育过程。

通过荧光成像可以清晰地观察到单个生物杂交微藻上 CR（绿色自发荧光）、CS（黄色荧光）和 MNPs（红色荧光）的存在。为了优化静电共轭方法，研究人员对 CR 进行了不同浓度 MNPs（0.5、2.5 和 5mg/mL）的处理。经过优化后，通过流式细胞术分析对涂层技术的效率进行了定量评估。结果显示，在 5mg/mL MNP 浓度下，高达 95.9% 的微藻群体成功结合，而在 0.5mg/mL 和 2.5mg/mL MNP 浓度下，杂交率分别为 79.1% 和 86.7%。荧光显微镜图像和扫描电子显微镜（SEM）图像进一步证实了 MNPs 在细胞表面的存在，且随着涂层混合物中 MNPs 浓度的增加，荧光信号愈发明显。此外，通过在不同时间间隔（t = 0、6 和 24h）获取荧光显微镜图像，对磁性涂层的稳定性进行了表征。结果发现，虽然荧光信号略有下降，但 CS 和 MNPs 仍可见，表明这两种材料在微藻细胞上的共轭仍然存在。荧光强度在涂层后 24h 内的下降，可能归因于 CR 约 12h 的倍增时间。

三、微藻生物杂交体的游泳与磁性控制特性

微藻的磁化使得通过外部磁场对其导航进行精确控制成为可能。研究人员通过定制设计的一维（1D）磁性引导系统实现了这一目标。该系统由两个相距 100mm 的圆形永久磁铁组成，可产生沿一个轴的均匀磁场（26mT）。这一磁场能够有效地使生物杂交体的游泳方向与轴对齐并定向，同时对自由 CR 的游泳没有影响。

研究人员对自由 CR 和磁性微藻生物杂交体的运动性进行了表征和比较。自由 CR 的平均游泳速度为 104.3±24μm/s，而磁性微藻生物杂交体在不同 MNP 浓度下的游泳速度分别为：0.5mg/mL MNP 时为 95.7±17μm/s，2.5mg/mL MNP 时为 98.8±20μm/s，5mg/mL MNP 时为 89.5±22μm/s。数据表明，磁性粒子会影响藻类的游泳速度，但增加粒子浓度并不会显著改变这种影响。在施加 26mT 的连续均匀磁场时，磁性微藻生物杂交体的平均游泳速度为 115.2±26μm/s，与自由 CR 和未施加磁场的微藻生物杂交体的平均速度相比，略有提高但仍具有可比性。

与自由 CR 的随机游走（其具有典型的 “run and tumble” 运动，轨迹不稳定）不同，磁性对齐的游泳轨迹与施加的磁场精确对齐，呈现出更平滑的游泳路径。此外，研究人员还进行了磁性转向实验，通过电磁线圈系统产生 10mT 的均匀磁场，展示了微藻生物杂交体能够按照磁场方向的 90° 变化精确地沿着方形路径游泳。

四、微藻生物杂交体在粘性牛顿流体中的导航

在证明了微藻生物杂交体的精确磁性引导后，研究人员进一步探究了磁性对齐在其通过粘性牛顿流体导航中的作用，并评估了利用外部磁控克服流体障碍的可行性。他们选择了三种不同粘度的牛顿流体模型，通过在 Tris - 乙酸 - 磷酸盐培养基（TAP 培养基）中以不同重量比（5% - 20%，w/w）混合 Ficoll 来制备。这些溶液在不同剪切速率下均表现出恒定的剪切粘度，表明其具有牛顿流体行为，粘度范围为 6.3 - 36.5cP，与哺乳动物气管或呼吸 / 胃肠道内衬的粘膜粘度相似。

研究人员观察了微藻生物杂交体在不同粘性牛顿流体中的游泳轨迹，发现随着流体粘度的增加，生物杂交体的游泳速度明显下降。在粘度为 6.3cP、15.2cP 和 36.5cP 的牛顿流体中，微藻生物杂交体的游泳速度分别为 34.5±17μm/s、18.7±9μm/s 和 5.9±2.4μm/s，整体游泳速度降至 0.5 - 3BLPS。此外，微藻生物杂交体在磁性对齐时表现出振荡游泳模式，方向频繁改变，呈锯齿状。随着粘度的增加，振荡段的长度也增加。为了进一步理解这种游泳行为的变化，研究人员定义了一个重新定向角度 δθ，代表在粘性牛顿条件下、恒定磁性对齐时翻滚过程中游泳方向的角度变化。结果发现，随着粘度的增加，重新定向角度显著增加，分别为 6.3cP 时 30.8°±10°，15.2cP 时 79.1°±15°，36.5cP 时 143.8°±17°。这表明在恒定磁性对齐下，随着粘度增加，微藻生物杂交体从快速游泳、振荡可忽略不计转变为速度减慢、伴有突然重新定向的运动模式，且重新定向事件更加频繁和剧烈。

五、微藻生物杂交体在平面和管状限制中的导航

研究人员首先研究了平面限制对微藻生物杂交体导航行为的影响，分别在磁性控制和非磁性条件下进行实验。他们设计并制造了具有矩形横截面的微通道，通过商业微珠作为间隔物将两个玻璃载玻片分开，微通道高度（h_c）对应微珠直径。实验中使用了不同高度（15μm、24μm 和 40μm，分别对应 1.5、2.4 和 4 个平均细胞体直径）的微通道来研究微藻生物杂交体的导航模式。

研究发现，平面限制对裸 CR 的游泳速度有明显影响，在所有限制水平下，微生物的游泳速度均降低，且在较高通道高度（40μm）处影响较小。具体而言，在最高限制条件（15μm）下，微生物的游泳速度为 6.3BLPS（62.7±7.7μm/s），相比无限制条件下降了约 40%；而在 24μm 和 40μm 限制下，速度分别为 7BLPS（69.6±4.7μm/s）和 8.1BLPS（81.1±10.2μm/s）。对于磁性微藻生物杂交体，在恒定磁性对齐下，限制效应更为显著，在 15μm、24μm 和 40μm 限制下，其游泳速度分别为 4.3BLPS（43.2±4.1μm/s）、5.2BLPS（52.1±5.1μm/s）和 6.4BLPS（64.6±2.8μm/s）。

随后，研究人员对管状限制对微藻生物杂交体的影响进行了研究。他们使用双光子光刻技术制造了不同直径（D_c；16.8μm、21.8μm 和 33.9μm）的管状微通道，并对裸 CR 和磁性对齐的生物杂交微藻进行了推进实验。通过分析轨迹，观察到三种不同的导航模式：回溯（backtracking）、穿越（crossing）和磁性穿越（magnetic crossing）。回溯是指微藻细胞进入管状微通道后又返回入口，未能成功穿越通道；穿越是指微藻细胞成功穿过微通道；磁性穿越则是在外部磁场作用下，磁性微藻生物杂交体成功穿越微通道。

在较窄的通道（D_c = 21.87μm）中，自由游泳的 CR 表现出随机游走和与边界频繁相互作用的行为，导致回溯事件增加；而磁性对齐的生物杂交微藻游泳轨迹更平滑，与边界的相互作用减少，能够更有效地通过管状微通道。在较宽的通道（D_c = 33.9μm）中，也观察到类似的现象，自由游泳的 CR 回溯事件占主导，而磁性对齐的生物杂交微藻能够更高效地导航。特别地，在最窄的管状微通道（D_c = 16.9μm）中，自由游泳的 CR 无法穿越或回溯，而磁性引导的微藻生物杂交体则能够成功通过。

研究人员还对 CR 和生物杂交微藻在磁性对齐下穿越管状通道的时间进行了跟踪。在直径为 21.87μm 的通道中，自由游泳的 CR 穿越时间较长，平均为 2.77±0.6s，而磁性引导的微藻生物杂交体穿越速度更快，平均为 1.5±0.5s。在直径为 33.9μm 的较宽通道中，生物杂交体穿越速度更快，自由游泳的 CR 平均穿越时间为 1.8±0.2s，而磁性引导的生物杂交体为 1.2±0.3s。此外，研究人员测量了微通道内的穿越或回溯事件数量，发现没有磁性引导时，回溯现象更为突出，在窄管（D_c = 21.87μm）和宽管（D_c = 33.9μm）中，成功穿越的微藻比例分别为 39.1% 和 69.5%；而在施加均匀磁场使生物杂交体对齐后，超过 90% 的跟踪生物杂交体能够成功通过两种直径的管状微通道。

最后，研究人员对生物杂交微藻逆流体流动游泳的能力进行了初步探索。初步测试表明，微藻通常会向下游漂移，这表明流体动力剪切应力、鞭毛摆动改变和藻类固有推进能力之间存在复杂的相互作用。研究人员计划使用更复杂的微流体毛细管系统，系统地研究不同流动条件下的藻类导航，以深入了解其上游运动能力。同时，这些生物杂交体在低剪切或停滞环境中的潜在应用，为短期生物医学应用提供了有前景的方向。

六、研究讨论

微藻基生物杂交体在医学、生物技术和环境应用等多个领域具有巨大的潜力。它们的运动性、可操纵性、携带货物和靶向能力，使其在主动药物递送、靶向治疗和污染物修复等方面具有显著优势。然而，目前对于微藻基生物杂交体在无序、三维、多孔、粘性和受限微环境中的导航研究仍处于起步阶段，这些环境对微藻生物杂交体运动性（尤其是磁性可操纵性）的影响也知之甚少。因此，理解微藻生物杂交体的运动特性并开发有效的外部控制机制，对于实现其在受限环境中的高效运动至关重要。

绿色微藻由于其光趋性，常被用于基于外部可见光的控制方法。但在大多数现实应用场景（如深层组织、不透明环境或地下层）中，可见光的穿透性极为有限。相比之下，磁性控制在光无法穿透或维持的情况下，能够提供可靠且一致的导航控制。尽管之前有研究探索了磁性微藻在生物医学领域的应用，如将光合微藻改造为磁性控制的螺旋微游泳器用于肿瘤靶向成像和多模态治疗，但这些方法往往依赖于外部磁性材料涂层，可能会阻碍微生物的固有运动性。而本研究在微藻表面添加磁性材料的同时，充分利用了其固有的鞭毛运动性，即使在生物杂交后，微藻仍能保持这种运动性能。

研究粘度对微机器人导航的影响，对于优化其设计和推进机制至关重要。尽管近年来开发了多种能够在高粘度、低雷诺数流体中导航的微机器人，但在生物流体中实现高效导航仍然是一个挑战。粘度直接影响微藻的运动性，研究其影响有助于在不同物理条件下微调微藻生物杂交体的游泳性能。在本研究中，当微藻生物杂交体暴露在高粘度环境中时，其游泳速度显著降低，且在恒定磁性对齐下，呈现出振荡游泳模式，随着粘度增加，重新定向角度增大，振荡路径拉长。

在物理限制条件下，微藻生物杂交体的游泳行为也发生了显著变化。在平面限制中，随着限制程度的增加，裸 CR 和磁性微藻生物杂交体的游泳速度均降低。在管状限制中，微藻细胞表现出回溯、穿越和磁性穿越三种导航模式。没有磁性引导时，自由游泳的 CR 主要表现为回溯行为；而磁性微藻生物杂交体在磁场作用下，能够更有效地克服边界相互作用，实现更高效的通道穿越。

本研究提出了一种优化的微藻基生物杂交微机器人设计策略，在功能化后保持磁性微藻生物杂交体的运动性、在粘性牛顿流体中游泳以及借助磁性引导成功穿越各种物理限制等方面表现出高性能。该生物杂交体设计展示了一种高效的磁性控制生物杂交微机器人系统组装路线，克服了基于光的转向策略的局限性，与之前涉及 CR 的生物杂交设计相比，具有更高的游泳速度和群体可控性。未来的研究可以进一步微调磁性控制参数、限制几何形状和控制机制，以研究它们对微藻生物杂交体在各种受限微环境中导航动力学的具体影响，从而实现更优化的转向控制。这种设计方法为医学、生物技术和环境应用提供了一种高效的微机器人平台，有望通过外部磁控机制克服生理屏障，在受限空间中实现精确导航。