精子驅動的微米機器人有望幫助人工授精

近日， 德國科學家開發出一種由精子驅動的微型生物機器人， 這項成果可能催生新的人工授精技術——人們也許能控制某個特定的精子移向卵子。 研究結果發表於材料科學期刊《先進材料》(Advanced Materials)。

“精子具有驅動微米或納米級機器設備的能力， 單個精子細胞就能夠推動鐵磁性的微型管。 ”文章的第一作者、德累斯頓固體物理與材料研究所的博士生維羅妮卡·馬格丹茲(Veronika Magdanz)介紹：“目前我們已具備了限制單個精子細胞、利用外部磁場控制精子按既定路線移動， 以及通過改變溫度控制精子移動速度的技術。

維羅妮卡和同事設計的微型機器人由精子細胞和磁性微型管兩部分組成。 “我們使用的是牛精子， 因為它們的形態與大小都與人類精子非常相似。 微型管則是由鈦-鐵納米薄膜製造而成， 這些微型管直徑5-8微米， 比精子的頭部稍微寬一些。 當精子鑽入管中並被限制住時， 一個“精子機器人”就裝配完成了。 隨後， 研究者就能通過外加的磁場控制機器人的運動。

(a)光學顯微鏡下的牛精子圖像;(b)和(d)微型管和管口處的牛精子的掃描電子顯微鏡圖像;(c)微型生物機器人由被限制在磁性微型管內的精子細胞 構成， 通過外加磁場進行遙控;(e)被困在微型管(黃色虛線)內的精子細胞 (黃色陰影)， 藍色箭頭指向精子頭部， 紅色箭頭指向精子鞭毛。

微型機器人的表現與微型管半徑和精子鑽入微型管的比例有關:微型管的半徑越大， 精子細胞鑽入微型管的程度就越深， 精子鞭毛所受到的運動限制也就越 大。 與自由遊動的精子相比， 精子機器人速度要低得多。 不過， 通過改變介質的溫度， 研究者也能對機器人的速度加以調節。 當溫度上升時， 精子機器人的移動速度 就會提高。

研究表明， 外加磁場能對精子機器人實施良好的控制。 在磁感應強度為 22mT的磁場控制下， 精子機器人運動的方向性得到了顯著提高。 在後續實驗中， 研究者成功運用磁場操縱， 將一個精子機器人從精子和微型管的混合物中分離出來。 這些機器人還能長時間執行任務， “它們在室溫中能活躍遊動超過90分鐘。

這種細胞-微型管裝配系統能按需要套用到任何有鞭毛的生物上， 因而具有靈活的應用優勢。 維羅妮卡表示：“我們現在所要面臨的主要挑戰在於要對細胞進行遙控釋放以及在體內對微型管進行跟蹤。 ”隨著對微型管設計的優化， 精子機器人還有望在顯微操縱和靶向送藥等領域大展身手