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南京大学鼓楼医院赵远锦教授CSR:生物活体材料构建器官芯片
2020-05-19  来源:高分子科技

  器官芯片是科学界近年来的研究热点,旨在芯片上模拟生物体复杂的生理环境进行细胞、组织和器官等的培养,研究并控制其在体外培养过程中的生物学行为,在基础研究、药物评价、干细胞研究甚至器官移植等诸多领域具有广阔的应用前景。相比于传统的二维细胞培养和动物实验,器官芯片在成本、可控性、有效性以及模拟生物体方面都展现出无可比拟的优势。


图1 生物活体材料在器官芯片中的应用


  近年来,鼓楼医院赵远锦教授课题组在器官芯片领域开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,赵远锦教授及合作者应邀在国际顶级期刊Chemical Society Reviews上发表了题为“Biohybrid robotics with living cell actuation”的综述文章,对生物活体材料在仿生器官芯片领域的应用现状进行了全面的总结,对其面临的挑战做出了思考和讨论,并且展望了其未来可能的发展方向。


  随着机器人学、仿生学、材料科学以及生命科学等学科的快速发展,生物混合机器人的研发在近些年来取得了一系列举世瞩目的成就,并逐步朝着智能化的方向发展。该综述首先回顾了生物混合机器人的发展历程,然后分章节介绍了生物混合机器人的最新进展,其中重点介绍了其在生物医学领域如器官芯片构建中的应用进展,对基于此的多学科交叉领域的研究具有重要的指导性意义。


  论文的主体部分从构建生物混合机器人的基本要素:柔性材料和生物驱动器开始。研究人员基于先进的材料制备方法如模板复制法、层层自组装以及新兴的3D打印大发排列3等,对高分子、水凝胶、碳材料和胶原等柔性材料进行仿生设计和加工,用于后续的细胞或组织培养。在生物驱动器方面,目前常用的细胞涉及心肌细胞、骨骼肌细胞、昆虫的背血管组织、具有运动能力的微生物和精子等,如图2所示。基于这些生物驱动力,生物混合机器人已经获得了良好的运动能力并实现了多样化的仿生模态。


图2 基于不同生物驱动力的柔性机器人


  为了提升生物混合机器人精确完成任务的能力,科研人员通过引入功能性材料或者对生物驱动器进行组织工程学改造,赋予其对外部刺激如光、电、磁和化学信号等的响应能力。基于这种刺激响应性的特点,生物混合机器人可以在人为操控下完成游泳、行走、旋转、夹取、滚动等多种运动形态,以适应不同环境下的工作需求,如图3所示。基于这种可控运动的能力,生物混合机器人在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。


图3 光学控制下的生物活体材料


  基于上述内容,文章接着对生物混合机器人在生物医学领域的应用进行了介绍。相比于传统的刚性机器人以及柔性机器人,生物混合机器人由于其出色的生物相容性、运动性能、可控性、环境适应性以及小尺寸等诸多优势,在药物递送、生物成像和癌症治疗、器官芯片以及组织工程等领域都展现出广阔的应用前景。


图4 生物活体材料在药物递送领域的应用


  最后,文章对生物混合机器人当前面临的挑战和未来的发展方向进行了展望,包括对细胞来源、材料优化以及生物系统的构建等多个方面进行了深入的思考和讨论。在细胞方面,干细胞大发排列3有望取代复杂的动物提取过程成为细胞来源的新渠道,但是需要考虑降低干细胞大发排列3的成本以及如何满足日益增长的细胞需求。此外,有必要从大自然中汲取灵感,通过细胞长期培养甚至实现细胞永生化的方法来延长生物混合机器人的工作寿命。在材料制备方面,材料不仅需要满足生物相容性、稳定性、耐久性和灵活性的要求,提供与生物体相似的能够诱导细胞定向或分化的环境也十分重要。在生物系统的构建方面,构建有效的内置循环系统或仿生血管网络来拓展其工作环境以及构建多细胞系共培养系统也是未来的发展方向之一。


  相关研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。


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

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(责任编辑:xu)
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