基于生物细胞与光力控制的生物微马达研究

As the power components in micro-/nano-driven technology, micromotors play key functions in a wide variety of emerging applications such as targeted drug delivery and therapy, precision surgery, biochemical sensing, and environmental remediation. In the area of biomedical applications, the development of bio-micromotors, which are free of driven materials, highly controllable, noninvasive, and highly biocompatible, are of great importance. This project intends to realize optical force controlled bio-micromotors based on biological cells. The project will use biological cells as the only materials for bio-micromotors. The actuation and manipulation of micromotors will be controlled by the optical forces generated from dynamic annular optical traps, forming bio-micromotors with high biocompatibility. Multiple controllable bio-micromotor arrays will be studied via optical trap arrays. Using the optical force-controlled bio-micromotors as power components, applications on nanoparticle actuation and assembly, pathogens (toxins) removal, targeted drug delivery, and in-vivo motor actuation will be examined. The optical force-controlled bio-micromotors will play vital roles with great application potentials in the interdisciplines of micro-/nano-photonics and biophotonics, with many new possibilities in the biomedical applications of biological threats removal, precision therapy at the single-cell level, in-vivo thrombus removal, and cardiac pacing.

微马达作为微纳驱动技术的动力元件，在药物递送与治疗、精准微手术、生化传感、环境修复等领域有着重要作用。在生物医学应用中，无驱动材料依赖，具有高可控性、非侵害性、高生物兼容性的微马达研制显得至关重要。为了实现这一目标，本项目拟开展光力控制的、基于生物细胞的生物微马达研究。该项目以生物细胞作为微马达的原材料，通过动态环状光捕获势阱产生的光力实现生物微马达的可控驱动与操控，从而构建具有高生物兼容性的生物微马达。利用光捕获势阱组，实现多通道可控生物微马达组的构建。以光力控制的生物微马达为动力元件，拟将实现纳米颗粒驱动与组装、病原体（毒素）收集与移除、活体内马达驱动等应用。光力控制的生物微马达在微纳光子学与生物光子学等交叉领域具有重要的科学价值和应用前景,将为微环境中生物威胁移除、单细胞精准治疗、活体血栓移除、心脏起搏等生物医学应用提供新的途径。

深入活体内部进行精准的医学操作为精准医疗提供了新的希望，而微马达与微纳机器人的出现为这一目的实现提供了新途径。虽然目前已经有不同种类的微马达驱动方式，但具有高生物相容性、且无材料依赖性的生物微马达驱动仍然是一个难题。基于此，本项目开展了光力控制的、基于活细胞的生物微马达研究。以衣藻细胞作为微马达的唯一材料，我们构建了光力控制的生物微马达。通过光力的控制，随机运动的衣藻细胞被转换成了一个受控制的旋转微马达。该微马达能在包括血液、唾液、骨髓液等生物环境进行可控驱动。基于微马达的可控运动，我们实现了微马达对血栓等有害生物团簇物的可控降解。进一步，我们构建了光水动力生物微马达镊子，实现了对药物的非接触靶向递送，并将其用于单细胞的精准调控与治疗上。为了提高药物的递送效率，我们构建了光控微马达集群，通过其协同作用，实现了对药物和基因的高效递送与细胞功能调控。这些工作为高生物兼容微马达用于活体精准医疗提供了新的途径。基于这些工作，在Advanced Materials、 Nano Letters、 Advanced Functional Materials、 Laser Photonics Reviews等期刊发表论文10篇，申请发明专利5件（授权一件，包括一件美国专利）。