一种基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法与流程

本发明涉及一种基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法，属于微纳机器人和特种机器人领域。

背景技术：

由细胞驱动、以生物材料为本体的生物微纳机器人具有自修复的能力，以及安全性较强的特点，今年开始受到越来越多的关注。

目前，被广泛用作生物微纳机器人驱动单元的细胞主要包括：哺乳动物的心肌细胞、骨骼肌细胞以及昆虫背部血管等。这些细胞都具有自发跳动的性质，并且在现有的研究中发现这种跳动的性质可以被外部的刺激信号所调节，比如光、电、磁等物理信号的刺激以及特定的药物的化学刺激等。另外，目前被用作生物微纳机器人的机器本体材料大都还聚焦在聚二甲基硅氧烷（PDMS），其在固态情况下有很好的生物相容性并且有很低的杨氏模量。将上述的三种细胞驱动单元任意一种，按照特定的排列组合接种在PDMS材料制造的机器本体上，通过外部刺激控制细胞的收缩行为，就可以实现PDMS机器本体发生动作，进而获得生物融合机器人。尽管，现有的生物微纳机器人具有生物相容性，但是在生物可降解性方面的探索还很少，而该属性对扩展生物融合机器人的应用领域具有非常重要意义。

本发明正是从这一现状出发，提出了一种基于生物3D打印技术的，以细胞为驱动力，以水凝胶材料为机器人本体的生物微纳机器人构建方法。由于水凝胶材料是当前应用广泛的一种生物可降解材料，在药物携载与控释、细胞培养等领域有重要应用，因此本发明提出的生物微纳机器人构建方法可以应用于体内药物定向输送，药物可控释放，以及细胞治疗等领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提出一种基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法，主要包括用细胞提供驱动力，用生物3D打印技术和生物可降解水凝胶材料构建机器人本体，并在机器人本体中可控携载药物的方法和技术。本发明提出的生物微纳机器人构建方法，在药物定向输送与药物可控释放领域具有良好应用潜力。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于生物3D打印的生物微纳机器人，包括配重头和生物微纳机器人本体，其特征在于：所述配重头为圆球形或短圆柱形球体的水凝胶实体；所述生物微纳机器人本体为具有空管道结构的水凝胶微管，其内腔可承载药物；配重头与机器人本体的端头连接，靠近连接处的颈部或在水凝胶微管的头尾部接种驱动细胞；外界配有刺激信号，在刺激信号的作用下，驱动细胞产生相应的收缩行为，从而产生对机器人的驱动力。

一种生物微纳机器人的构建方法，构建的生物机器人主要包括了水凝胶微管、配重头、驱动细胞、刺激信号以及携载药物单元。其中，配重头与水凝胶微管一端相连，配重头为一实心结构；携载药物单元是指全部或部分包含药物的水凝胶微管；驱动细胞为哺乳动物的心肌细胞、骨骼肌细胞以及昆虫背部血管等细胞中的一种；驱动细胞按照特定的结构及运动要求，接种于水凝胶微管的不同部位。该机器人的驱动力是通过对接种的细胞进行基因转染，使这些细胞能够对特定的刺激信号产生响应，从而进行收缩运动，产生收缩力；刺激信号则是可以刺激细胞产生响应的外界刺激信号，包括光、电、磁等物理信号，以及生化刺激信号。需要说明，本发明所采用的驱动方式包括：生物微纳机器人悬浮于液体环境中时，将驱动细胞接种在配重头和水凝胶微管连接处，驱动细胞的收缩带动机器本体运动，依靠机器本体和液体间的相互作用，驱使机器人运动；当生物微纳机器人与固体表面可接触时，则可以在水凝胶微管的头尾部分接种驱动细胞，借助摩擦力的作用，驱使机器人运动等驱动方式。

本发明提出的生物微纳机器人的构建过程为：采用基于离子交联成形的生物3D打印挤出成形方法，一次性成形配重头和水凝胶微管，其中药物与材料共混并成形，具体如图2所示；将经过基因转染的驱动细胞接种到处于溶液环境或具有固体表面的溶液环境中的水凝胶微管上，然后通过外部刺激信号发射器发射刺激信号，驱动细胞接收到刺激信号后，产生相应的收缩运动，驱动水凝胶微管发生形变而产生驱动力，实现生物融合机器人的转弯、加速等；当生物融合机器人运动到指定位置后，经过一段时间，形成生物微纳机器人的水凝胶材料降解，置于微管中的药物可以释放，进而实现药物的搬运和释放的功能。

本发明中所述水凝胶微管，主要是指基于离子交联成形的方法制备的水凝胶微管，如海藻酸钠、明胶和氯化钙等。

本发明中所述驱动细胞，主要是指哺乳动物的心肌细胞、骨骼肌细胞以及昆虫背部血管等具有自发跳动性质，并且跳动的性质可以被外部的刺激信号所调节的细胞。

本发明中所述的刺激信号，主要是指光、电、磁等物理信号，以及能够对细胞行为产生影响的药物、生长因子等生化信号。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明提供了一种生物微纳机器人的构建方法，通过使用具有生物可降解性的材料实现执行任务之后自动降解，最大程度上减少对于生物体所造成的二次伤害。

附图说明

图1为本发明提出的生物微纳机器人的构建方法示意图(（a）生物微纳机器人悬浮于液体环境中时,(b) 生物微纳机器人与固体表面可接触时)。

图2为一次性成形配重头和水凝胶微管的离子交联成形生物3D打印挤出头示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下详述如下：

实施例一：

参见图1，本基于生物3D打印的生物微纳机器人，包括配重头（1）和生物微纳机器人本体，其特征在于：所述配重头（1）为圆球形或短圆柱形球体的水凝胶实体；所述生物微纳机器人本体为具有空管道结构的水凝胶微管（4），其内腔可承载药物（3）；配重头（1）与机器人本体的端头连接，靠近连接处的颈部或在水凝胶微管（4）的头尾部接种驱动细胞（2）；外界配有刺激信号（5），在刺激信号（5）的作用下，驱动细胞产生相应的收缩行为，从而产生对机器人的驱动力。

实施例二：

本基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法，用于制备上述机器人，其特征在于使用具有生物可降解性能的水凝胶材料，采用3D打印技术制备生物微纳机器人本体，具体可以采用基于离子交联成形的方法制备的具有中空管道结构的水凝胶微管（4）和水凝胶实体作为配重头（1）共同形成的结构；使用具有自收缩并且收缩能力可以被外部刺激信号调节的细胞或组织作为生物微纳机器人的驱动单元，接种于机器人本体的颈部；所述生物微纳机器人的驱动单元是：a)生物微纳机器人悬浮于液体环境中时，将驱动细胞接种在配重头（1）和水凝胶微管（4）连接处，驱动细胞的收缩带动机器本体运动，依靠机器本体和液体间的相互作用，驱使机器人运动；b)当生物微纳机器人与固体表面接触时，则可在水凝胶微管（4）的头尾部分接种驱动细胞，借助摩擦力的作用，驱动机器人运动。

实施例三：

本基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法，其特征在于具体操作步骤如下：

a.制备水凝胶，然后基于离子交联成形法制备配重头（1）和水凝胶微管（4）；

b.选择驱动细胞（2）品种；

c.选择与驱动细胞（2）匹配的刺激信号类型；

d.将驱动细胞（2）接种到配重头（1）和/或水凝胶微管（4）设定的部位；

e.将生物微纳机器人置于设定的环境中，安置刺激信号（5）。

实施例四：

在本实施例中，构建的生物微纳机器人模型如图1（a）所示, 构建过程包括如下步骤：

a.使用海藻酸钠和明胶混合制备水凝胶，选择氯化钙作为交联剂，选用姜黄素作为负载药物，与材料共混后用作成形材料，然后基于离子交联成形的方法制备配重头（1）和水凝胶微管4。

b.选择原代大鼠心肌细胞作为驱动细胞（2），并且对原代大鼠心肌细胞进行基因转染使其收缩行为能够根据光照强弱发生改变。

c.选择光信号作为刺激信号（5）。

d.将驱动细胞（2）接种到配重头（1）和水凝胶微管（4）相交的部位。

e.将生物微纳机器人放置于具有一定深度的培养液环境中，通过改变刺激信号（5）光照强弱及方向的不同，心肌细胞的收缩行为发生改变，从而驱动生物融合机器人往不同的方向运动。

实施例五：

在本实施例中，构建的生物微纳机器人模型如图1（b）所示, 构建过程包括如下步骤：

a.使用海藻酸钠和明胶混合制备水凝胶，选择氯化钙作为交联剂，选用姜黄素作为负载药物，与材料共混后用作成形材料，然后基于离子交联成形的方法制备配重头1和水凝胶微管4。

b.选择原代大鼠心肌细胞作为驱动细胞2，并且对原代大鼠心肌细胞进行基因转染使其收缩行为能够根据光照强弱发生改变。

c.选择光信号作为刺激信号5。

d.将驱动细胞2接种到配重头1和水凝胶微管4后端部位。

e.将生物微纳机器人放置于深度较浅的培养液环境中，保证机器人底部与培养皿地面接触，然后通过改变刺激信号5光照强弱及方向的不同，心肌细胞的收缩行为发生改变，从而驱动生物融合机器人往不同的方向运动。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明一种生物融合机器人的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。