CN113021380A

CN113021380A - 一种微纳机器人及其制备方法和应用

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Publication number: CN113021380A
Application number: CN202110412369.3A
Authority: CN
Inventors: 郑裕基; 宋小霞
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2041-04-16
Also published as: CN113021380B

Abstract

本发明涉及一种微纳机器人及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：将氨基修饰的磁性微珠分散液与4,4'‑偶氮氧基(4‑氰戊酸)混合，进行酰胺化反应，得到所述微纳机器人。本发明通过4,4'‑偶氮氧基(4‑氰戊酸)与磁性微珠上的氨基形成稳定的共价键，实现组配的模块数可调，同时，4,4'‑偶氮氧基(4‑氰戊酸)的引入能够使微纳机器人具有近红外光响应释放药物优势，且具有修饰性，可在微纳机器人中磁性微珠的末端连接上多种药物，如抗癌药物阿霉素，用于肿瘤的近红外响应靶向治疗，另外，本发明提供的微纳机器人可适应于不同环境下的应用。

Description

一种微纳机器人及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及微纳机器人技术领域，尤其涉及一种微纳机器人及其制备方法和应用。

背景技术

磁控微/纳米机器人由于能够增强微/纳米系统(如药物给药系统)的靶向能力而得到了广泛的研究。微/纳米机器人应用于广泛的领域，包括环境、生物医学应(包括细胞移植、肿瘤靶向给药和微创手术)。目前，微纳机器人已经被证明了具有在同质环境中移动或工作以及完成单一特定任务的卓越能力，然而，面临活体中复杂的组织构造和环境，如血液循环、肿瘤微环境的扩散和生物屏障如细胞外基质，单一形状和功能的机器人已无法满足需求。例如，磁控微型机器人常用的螺旋形，不能有效地组装和拆卸成不同的大小和形状。自然界中的微生物可使用各种各样的形状和推进方法来导航许多不同的生物环境。因此，构建具有自我改变形状能力的仿生模块化机器人，适应不同的任务和环境，并能对不可预知的情况做出反应，如帮助药物输送和微创手术，将具有非常重要的意义。

对于模块化微纳机器人，Tottori等人之前已经引入了一种方法(Nano Lett.13,4263-4268(2013).)，利用磁力和水动力相互作用将螺旋微型机器人组装和拆卸成不同的配置。机器人的组装成链状是由平行靠近的两名机器人的磁吸力作用而成的，拆散则是由机器人运动过程中运动方向与磁场不同步导致的。其工作过程如下：(1)机器人l朝机器人2的一端游去，在机器人两端形成了磁装配(如图1a至图1d所示)。(2)两个机器人之间的吸引力足够大，可以让两个机器人l和2一起旋转和推进。(3)随后，磁场旋转被逆转，集合在一起的机器人向相反的方向移动，机器人1显然拖着机器人2(如图2)。(4)在相对较低的频率(<40赫兹)，两名机器人旋转，因为磁力大于机器人的阻力。(5)随着输入频率逐渐增加(>56赫兹)，机器人受到的阻力上升，最终超过了两个机器人之间的磁相互作用力，导致机器人解体(如图3a至图3d)所示。尽管上述文献的机器人系统可以动态地重新配置大小和形状，但该模块机器人的最大组装数量是3，通用性不足，并不能得到理想的模块化机器人。

因此，本领域亟待制备一种组配的模块数更高且可以适用于不同环境下的应用的微纳机器人及。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种微纳机器人的制备方法，尤其在于提供一种三珠微纳机器人，特别在于提供一种模块化光响应非手性三珠微纳机器人的制备方法。所述制备方法可以实现微纳机器人组配的模块数可调，同时具有近红外光响应释放药物优势，且具有修饰性，此法制备的模块化机器人可适应于不同环境下的应用。

为达此目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种微纳机器人的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将氨基修饰的磁性微珠分散液与4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)(AZO)混合，进行酰胺化反应，得到所述微纳机器人。

本发明提供的微纳机器人使用磁珠作为基本的构建块，AZO通过两端的羧基与磁性微珠上的氨基反应形成酰胺键，从而在磁性微珠表面接枝AZO，当两个磁性微珠与同一个AZO反应时，两个磁性微珠则连接在一起，本发明提供的制备方法可以获得至少三个磁性微珠相连的结构，允许更广泛的模块化和组装，而且仍然可在磁场下，依靠磁力作用和水动力相互作用组装和拆卸。此种模块构建法灵巧简便。

此外，由近红外光响应的偶氮化合物AZO作为三珠的连接试剂，既起到了共价键结合的作用，同时还使得模块化磁珠机器人具备多功能性质，AZO作为在近红外808nm处有明显的光吸收，由此可在三珠的末端连接上多种药物，如抗癌药物阿霉素，用于肿瘤的近红外响应靶向治疗。

另外，本发明制备得到的微纳机器人可适应于不同环境下的应用。

总之，利用多功能的偶氮化合物AZO的模块化的磁珠装配策略，可提高模块化的磁珠机器人的通用性和功能性，从而进一步提高其生物应用的可行性。

本发明中，4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)的结构如下所示：

优选地，所述氨基修饰的磁性微珠分散液的浓度为2-3g/mL，例如2.1g/mL、2.2g/mL、2.3g/mL、2.4g/mL、2.5g/mL、2.6g/mL、2.7g/mL、2.8g/mL、2.9g/mL等，优选2.5g/mL。

优选地，所述氨基修饰的磁性微珠包括氨基修饰的Fe₃O₄磁性微珠。

优选地，所述氨基修饰的磁性微珠的粒径为4-5μm，例如4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm等，4.18μm。

优选地，所述酰胺化反应的介质包括N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基丁二亚胺(NHS)的组合。通过EDC/NHS在磁珠上形成稳定的化学共价键酰胺键，即AZO与氨基反应形成的酰胺键。

优选地，所述酰胺化反应的条件包括震荡。

优选地，所述酰胺化反应的温度为20-30℃，例如21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃等。

优选地，所述酰胺化反应的时间为20-30h，例如21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h等。

优选地，所述制备方法还包括：在所述氨基修饰的磁性微珠分散液中加入生物素，并在所述酰胺化反应之后，加入链霉亲和素改性的磁性微球。

在本发明的优选技术方案中，使链霉亲和素与生物素之间发生特异性吸附作用，将两个磁性微球结合在一起，能够实现组配的模块数在更大范围内的可调节。

优选地，所述链霉亲和素改性的磁性微球包括链霉亲和素改性的Fe₃O₄磁性微球(SA-Fe₃O₄)。

优选地，所述链霉亲和素改性的磁性微球的添加数目与所述氨基修饰的磁性微珠的添加数目相同。

优选地，所述链霉亲和素改性的磁性微球的粒径与所述氨基修饰的磁性微珠的粒径相同。

优选地，所述制备方法还包括：对产物进行洗涤和干燥。

优选地，所述制备方法具体包括如下步骤：

在氨基修饰的磁性微珠分散液中加入生物素、4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二亚胺，在20-30℃温度下震荡20-30h，加入链霉亲和素改性的磁性微球，洗涤，干燥，得到所述微纳机器人。

在发明的优选技术方案中，所述微纳机器人的制备如图4所示，4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)和生物素接枝在磁性微珠的表面，且不同的磁性微球通过4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)连接，随后链霉亲和素改性的磁性微球加入至体系中，链霉亲和素与生物素之间发生特异性吸附作用，进一步将不同的磁性微球结合在一起。

本发明的目的之二在于提供一种根据目的之一所述的制备方法制备得到的微纳机器人。

优选地，所述维纳机器人包括相互连接的至少三个(例如四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个等)磁性微球。

本发明的目的之三在于提供一种载药微纳机器人，所述载药微纳机器人包括目的之二所述的微纳机器人以及通过4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)连接在所述微纳机器人上的药物。

优选地，所述药物包括抗癌药物阿霉素(DOX)、紫杉醇、5氟尿嘧啶、长春碱、喜树碱、奥沙利铂、利妥昔单抗或伊利替康中的任意一种或至少两种组合。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种微纳机器人的制备方法，其中，4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)可形成稳定的共价键，实现组配的模块数可调，同时，4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)的引入能够使微纳机器人具有近红外光响应释放药物优势，且具有修饰性，可在微纳机器人中磁性微珠的末端连接上多种药物，如抗癌药物阿霉素，用于肿瘤的近红外响应靶向治疗，另外，本发明提供的微纳机器人可适应于不同环境下的应用。

附图说明

图1a是本发明背景技术中微纳机器人的装配过程中第0s的示意图；

图1b是本发明背景技术中微纳机器人的装配过程中第1s的示意图；

图1c是本发明背景技术中微纳机器人的装配过程中第2s的示意图；

图1d是本发明背景技术中微纳机器人的装配过程中第3s的示意图；

图2是本发明背景技术中微纳机器人的移动示意图。

图3a是本发明背景技术中微纳机器人的解体过程中第0.5s的示意图；

图3b是本发明背景技术中微纳机器人的解体过程中第0.75s的示意图；

图3c是本发明背景技术中微纳机器人的解体过程中第1s的示意图；

图3d是本发明背景技术中微纳机器人的解体过程中第1.25s的示意图；

图4是本发明实施例1提供的微纳机器人的扫描电镜图；

图5是本发明实施例2提供的微纳机器人的扫描电镜图；

图6a是本发明实施例3提供的微纳机器人的扫描电镜图；

图6b是本发明实施例3提供的微纳机器人的扫描电镜放大图；

图7是本发明实施例4提供的微纳机器人的扫描电镜图；

图8a是本发明应用例提供的载药微纳机器人的形成过程示意图；

图8b是本发明应用例提供的载药微纳机器人的傅里叶红外表征图；

图9a是本发明实施例1的微纳机器人在图案化的流道中运动示意图；

图9b是本发明实施例1的微纳机器人在含障碍物环境中运动示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

以下实施例中所使用的氨基修饰(NH₂-Fe₃O₄)磁性微珠购于美国Spherotech公司，牌号为AFM-40-10；链霉亲和素改性的磁性微球(SA-Fe₃O₄)购于美国Spherotech公司，牌号为SVFM-40-5。

实施例1

本实施例提供一种微纳机器人，其制备方法如下：

氨基修饰(NH₂-Fe₃O₄)磁性微珠(100μL，4.18μm，2.5g/mL)的单分散水溶液中加入生物素(biotin，100μg)、4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)(0.1g)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，0.035g)和N-羟基丁二亚胺(NHS，0.028g)，在25℃温度下震荡24h，随后加入与NH₂-Fe₃O₄数目相同的链霉亲和素改性的磁性微球(SA-Fe₃O₄，4.18μm，)，用水洗涤三次，冷冻干燥，得到所述微纳机器人。

本实施例制备得到的微纳机器人的扫描电镜图如图4所示，图中显示所得微纳机器人装配数为3。

实施例2

本实施例提供一种微纳机器人，其制备方法如下：

氨基修饰(NH₂-Fe₃O₄)磁性微珠(100μL，4.18μm，2.5g/mL)的单分散水溶液中加入4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)(0.1g)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，0.035g)和N-羟基丁二亚胺(NHS，0.028g)，在25℃温度下震荡24h，用水洗涤三次，冷冻干燥，得到所述微纳机器人。

本实施例制备得到的微纳机器人的扫描电镜图如图5所示，图中显示微纳机器人存在不同装配数目形式，是因为磁性微珠装配主要依赖一种官能团形式的磁珠和AZO分子，装配成3个以上的概率减少，主要为2个机器人装配的形式。

实施例3

本实施例提供一种微纳机器人，其制备方法如下：

氨基修饰(NH₂-Fe₃O₄)磁性微珠(100μL，4.18μm，2g/mL)的单分散水溶液中加入生物素(biotin，100μg)、4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)(0.1g)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，0.035g)和N-羟基丁二亚胺(NHS，0.028g)，随后加入与NH₂-Fe₃O₄数目相同的链霉亲和素改性的磁性微球(SA-Fe₃O₄，4.18μm，)，在20℃温度下震荡30h，用水洗涤三次，冷冻干燥，得到所述微纳机器人。

本实施例制备得到的微纳机器人的扫描电镜图如图6a和6b所示，图中显示微纳机器人装配数为3。

实施例4

本实施例提供一种微纳机器人，其制备方法如下：

氨基修饰(NH₂-Fe₃O₄)磁性微珠(100μL，4.18μm，2g/mL)的单分散水溶液中加入生物素(biotin，100μg)、4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)(0.1g)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，0.035g)和N-羟基丁二亚胺(NHS，0.028g)，随后加入与NH₂-Fe₃O₄数目相同的链霉亲和素改性的磁性微球(SA-Fe₃O₄，4.18μm，)，在30℃温度下震荡20h，用水洗涤三次，冷冻干燥，得到所述微纳机器人。

本实施例制备得到的微纳机器人的扫描电镜图如图7所示，图中显示所得微纳机器人装配数为均匀的3个。

应用例

本应用例提供一种载药微纳机器人，其制备方法如下：

上述实施例1所得的微纳机器人的单分散PBS溶液中，加入阿霉素(0.1g)、N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，0.035g)和N-羟基丁二亚胺(NHS，0.028g)，在37℃温度下震荡24h，用水洗涤三次，冷冻干燥，得到所述载药微纳机器人。所述载药微纳机器人的形成过程如图8a所示。

本应用例制备得到的载药微纳机器人的傅里叶红外表征结果如图8b所示，阿霉素(DOX)通过EDC/NHS偶联脱水反应负载在微纳机器人上。如图所示，1730cm^-1附近的峰属于DOX的C＝O伸缩振动；在1618cm^-1和1581cm^-1处的峰属于蒽环的C＝O伸缩振动峰。光谱区(2800-3200cm^-1)属于DOX中C-H、-OH和N-H基团的伸缩振动组合。1699和3300cm^-1的峰属于微纳机器人Fe₃O₄颗粒表面的氨基官能团。经偶氮分子和阿霉素修饰的微纳机器人在1380cm^-1(vCH₃)和1561cm^-1(N＝N)处出现了偶氮分子的特征吸收峰，DOX在1648cm^-1和1561cm^-1处出现了特征吸收峰。傅里叶变换红外光谱表明微纳机器人成功地装载了阿霉素药物分子。

性能测试

将上述实施例1所得微纳机器人进行磁场驱动下不同环境性能下的运动测试，图9a为微纳机器人在图案化的流道中运动示意图，图9b为在含障碍物(球形为细胞)环境中运动示意图，两种不同环境下微纳机器人都可以实现快速顺利运动，避开障碍物，平均运动速度为2.53±0.56μm/s。

综上所述，本发明提供的制备方法可以实现微纳机器人组配的模块数可调，同时，4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)的引入能够使微纳机器人具有近红外光响应释放药物优势，且具有修饰性，可在微纳机器人中磁性微珠的末端连接上多种药物，如抗癌药物阿霉素，用于肿瘤的近红外响应靶向治疗，另外，本发明提供的微纳机器人可适应于不同环境下的应用。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种微纳机器人的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

将氨基修饰的磁性微珠分散液与4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)混合，进行酰胺化反应，得到所述微纳机器人。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨基修饰的磁性微珠分散液的浓度为2-3g/mL，优选2.5g/mL。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氨基修饰的磁性微珠包括氨基修饰的Fe₃O₄磁性微珠；

优选地，所述氨基修饰的磁性微珠的粒径为4-5μm，4.18μm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述酰胺化反应的介质包括N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二亚胺的组合；

优选地，所述酰胺化反应的条件包括震荡；

优选地，所述酰胺化反应的温度为20-30℃；

优选地，所述酰胺化反应的时间为20-30h。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述氨基修饰的磁性微珠分散液中加入生物素，并在所述酰胺化反应之后，加入链霉亲和素改性的磁性微球。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述链霉亲和素改性的磁性微球包括链霉亲和素改性的Fe₃O₄磁性微球；

优选地，所述链霉亲和素改性的磁性微球的添加数目与所述氨基修饰的磁性微珠的添加数目相同；

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：对产物进行洗涤和干燥。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备得到的微纳机器人；

优选地，所述维纳机器人包括相互连接的至少三个磁性微球。

10.一种载药微纳机器人，其特征在于，所述载药微纳机器人包括权利要求9所述的微纳机器人以及通过4,4'-偶氮氧基(4-氰戊酸)连接在所述微纳机器人上的药物；

优选地，所述药物包括抗癌药物阿霉素、紫杉醇、5氟尿嘧啶、长春碱、喜树碱、奥沙利铂、利妥昔单抗或伊利替康中的任意一种或至少两种组合。