CN113053556A

CN113053556A - 具有可重构性的生物微马达阵列及其应用

Info

Publication number: CN113053556A
Application number: CN202110261484.5A
Authority: CN
Inventors: 辛洪宝; 李宝军; 赵楠; 史阳
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2021-06-29

Abstract

本发明公开了具有可重构性的生物微马达阵列，所述可重构性的生物微马达阵列包括红外激光源、扩束镜、声光偏转器、透镜、第一分色镜、物镜、LED光源、样品台、第二分色镜、COMS相机、计算机，通过控制所述声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或者静态光阱，进而捕获或操控样品台上的生物细胞形成生物微马达阵列。本发明的有益效果在于根据具体应用需求改动阵列信息，实现整体微马达阵列调整或阵列中特定某个位置移动，操作快捷方便。提高了去除目标的效率，且具有良好的生物兼容性。该微马达阵列进一步应用于微流体环境中执行任务，为许多体外生物医学应用提供了新的可能性，为不同任务需求的机器人协同操作提供更多的选择。

Description

具有可重构性的生物微马达阵列及其应用

技术领域

本发明属于微纳米技术领域，涉及具有可重构性的生物微马达阵列及其应用。

背景技术

生物微马达阵列是从群居动物的集体行为中获得灵感，就像自然界中的蜂群和蚂蚁群等生物群体一样，是灵活的、高度自治的。一个微马达阵列由大量能力有限的单个微马达组成，阵列中每个微马达之间相互作用及与其引起的环境相互作用产生了突显特性:集合起来，集群显示了单个微马达所不具备的能力。目前用于微马达群体性操作的方法有磁场、光催化、超声驱动和电驱动等方法，通过适当操作，群体微马达可以被有效驱动。但上述各方法都需要在使用材料中添加辅助材料（如磁场需要磁性材料，声场需要金纳米颗粒等），缺少良好的生物兼容性，并且在控制群体中单个微马达上缺乏有效性。由于相关的基本机制、群体与环境的相互作用以及应对环境变化和任务变化高度灵活的协调策略仍在研究中，因此，如何调控具有高灵活性的群体微纳米机器人系统以在动态变化的环境中执行任务仍然是一个挑战。

光镊是具有高度通用性的工具，在形成微马达阵列上也有很多的应用。例如利用全息光镊进行动态操控介质粒子，使其呈现阵列结构；最近提出了一种利用光镊操作微型结构形成一种近场水动力流体的方法。这些方法都是利用介质粒子，在实际应用时的生物兼容性和灵活性都不够理想，同时在操作上需要复杂操作步骤。

发明内容

本发明提供一种具有可重构性的生物微马达阵列，解决了现有技术中微马达依赖于马达材料特性，细胞运动时依赖光学捕获的轨道粒子驱动，应用时效率低、功能单一、应用范围小的问题，及现有的微马达群体中生物兼容性差，可重构性和可控性差，完成复杂任务时效率低且群体中单个微马达缺乏有效性的问题。

本发明所采用的技术方案是具有可重构性的生物微马达阵列，所述可重构性的生物微马达阵列包括：

红外激光源，用于发射激光束；

扩束镜，用于对红外激光源发射出的激光束进行扩束整列，使激光束宽准直；

声光偏转器，通过衍射将激光束调制成所需形状或者结构的光点阵列，用于捕获或者操控生物细胞；

透镜，使激光束准确聚焦在物镜上或使样本图像准确聚焦到COMS相机上；

第一分色镜，用于将激光束收集进入物镜；

物镜，采集样本平面上的图像并通过第二分色镜聚焦到COMS相机上；

LED光源，提供光源，用于照明；

样品台，用于放置采集样本平面上的图像并通过第二分色镜聚焦到COMS相机上；

第二分色镜，将样本平面上的图像收集进入COMS相机；

COMS相机，用于实时观察和记录样品台内的样品；

计算机，用于生成全息图并加载到声光偏转器，通过编程改变全息图来改变光点阵列机构；

通过控制所述声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或者静态光阱，捕获或操控样品台上的生物细胞形成生物微马达阵列。

进一步的，通过控制计算机产生的全息图，根据不同应用需求，灵活改变生物微马达阵列形状或结构。

进一步的，所述生物微马达阵列中，通过控制声光偏转器光阱序列旋转方向控制微马达旋转方向，通过调整光阱功率控制微马达旋转速度；结合扫描光阱方向和控制功率，实现微马达阵列及阵列中微马达个体均匀旋转、周期旋转、交替旋转的可控旋转。

进一步的，所述生物微马达阵列为衣藻微马达阵列，衣藻微马达在清除过程中鞭毛可以作为生物性动力武器。

进一步的，所述鞭毛可以通过对目标进行反复击打来破坏生物聚集物。

作为本发明的一种应用，通过所提出的本发明的微马达阵列可以用于微流体环境中执行任务。

本发明的有益效果是：基于单细胞利用光镊产生的光力形成微马达阵列，在操作过程中可以实时控制阵列的个数、位置等，并且可以根据具体应用需求及时改动阵列信息，实现整体微马达阵列调整或阵列中特定某个位置移动，操作快捷方便。提高了微马达在执行复杂任务时去除目标的效率，同时微马达阵列具有良好的生物兼容性。微马达的运动可以在多种生物培养基中精心控制，包括细胞培养基、唾液、人血清、血浆、血液和骨髓液，即具有执行多种任务的能力，特别是间接操纵生物目标和破坏生物聚集物，包括体外血凝块。为许多体外生物医学应用提供了新的可能性，包括靶操作、货物递送和释放以及生物团聚去除，为不同任务需求的机器人协同操作提供更多的选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明组装方法光束路径结构示意图。

图2是游离的衣藻细胞随机游动示意图。

图3（a）是光阱捕获衣藻后其运动轨迹变化图。

图3（b）是光力控制微马达示意图。

图4（a）是光阱光功率40mw时微马达典型逆时针旋转轨迹图。

图4（b）是微马达在捕集器中转速分布图。

图5（a）是没有扫描捕集器时微马达逆时针旋转图。

图5（b）是扫描陷阱光功率为75mw时微马达旋转图。

图5（c）是扫描陷阱光功率由95mw增加到110mw时微马达旋转图。

图6是扫描陷阱光功率与微马达转速线性关系图。

图7是捕获陷阱光功率40mw时x和y方向的捕获电位图。

图8是不同功率的捕获刚度测量结果图。

图9是不同扫描陷阱功率下的转矩图。

图10是不同形状微马达阵列图。

图11是微马达阵列与单个微马达在清除1.5μm二氧化硅颗粒效率对比图。

图12是生物微马达在具有流动介质的微毛细管中的应用。

图13是微马达在不同的生物培养基中表现出可控制的运动图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

可重构性是指以较少操作和较短时间重组系统的能力。在本申请中可重构性是指在现有微马达阵列的基础上根据应用需求重新构建或者变换阵列形状或结构的能力；可重构性的微马达阵列是指在操作中，根据不同应用需求，灵活改变微马达阵列形状或结构，以便为每个特定的应用需求提供与之相匹配的微马达阵列。

实施例1：

取适量衣藻（CR）藻种（藻种来自中国藻种库FACHB-2218），将其摇匀，在无菌条件下直接转入三角瓶中，瓶口用透气封口胶封好，将其放置在25℃光照环境下复苏培养2-3天之后移至TAP培养基中，在无菌条件下培养3-7天且每天用摇床摇动3次，衣藻溶液备用。其中，藻种与TAP培养基体积比为1:3时衣藻活性良好，若TAP培养基过少则衣藻生长所需营养物质不够；若TAP培养基过多则衣藻生长过快，导致大部分衣藻处于孢子繁殖阶段。复苏培养选择25℃是因为此温度下衣藻生长速度最快，且培养2-3天后衣藻生长状态受运输的影响得到较好恢复。

实施例2：

如图1所示为本申请生物微马达阵列，包括红外激光源，用于发射激光束；扩束镜，用于对红外激光源发射出的激光束进行扩束整列，使激光束宽准直；声光偏转器，通过衍射将激光束调制成所需形状或者结构的光点阵列，用于捕获或者操控生物细胞；透镜，使激光束准确聚焦在物镜上或使样本图像准确聚焦到COMS相机上；第一分色镜，用于将激光束收集进入物镜；物镜，采集样本平面上的图像并通过第二分色镜聚焦到COMS相机上；LED光源，提供光源，用于照明；样品台，用于放置采集样本平面上的图像并通过第二分色镜聚焦到COMS相机上；第二分色镜，将样本平面上的图像收集进入COMS相机；COMS相机，用于实时观察和记录样品台内的样品；计算机，用于生成全息图并加载到声光偏转器，通过编程改变全息图来改变光点阵列机构；通过控制所述声光偏转器，可以在所述样品台内创造若干个动态或者静态光阱，进而捕获或操控样品台上的生物细胞形成生物微马达阵列。

将载玻片和盖玻片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗后吹干，取实施例1制备的衣藻（CR）溶液滴在载玻片上，盖上盖玻片，倒置放在物镜上。则在COMS相机捕获的衣藻（CR）运动轨迹如图2所示，其中虚线为游泳轨迹，插图为超过100个单元格重复的游泳速度直方图（高斯拟合），由图2可知，衣藻（CR）细胞自然运动是随机游动的，同时观察到衣藻（CR）细胞鞭毛同步搏动可以产生足够能量推动细胞在水中运动；由于衣藻（CR）绕纵轴逆时针旋转，使其在所处环境中以随机螺旋路径游动且无法控制，随机游动的衣藻（CR）细胞平均速度为95μm/s，说明衣藻（CR）具有良好的运动性。启动红外激光源发射波长为1064nm红外光束，设置光阱功率为35-50mW，则COMS相机捕获衣藻（CR）运动轨迹如图3（a）、图3（b）所示，其中（a）为利用光阱捕获衣藻（CR）后其运动轨迹变化图，（b）为光力控制微马达示意图，由图3（b）左3D图可知：中心光束显示用于衣藻（CR）捕获的光学阱，而细胞边界上逐渐变化的光束和弯曲的箭头显示用于控制微马达旋转的环形扫描阱；右2D插图，其中点表示光学阱，鞭毛作为两条手臂。由图3（a）和图3（b）可知：一旦捕获了光斑，光阱充当一个枢轴，由鞭毛跳动引起的平移运动(游动)变为围绕焦点的旋转运动，可以是顺时针(CW)，也可以是逆时针(CCW)，形成阵列中的第一个微马达。在光阱光功率40mw时，获得微马达典型之一的逆时针旋转轨迹如图4（a）所示，平均旋转速度为53 rpm/min。通过100多个微马达重复测量，得到微马达在捕集器中的转速分布如图4（b）所示，测量的峰值转速为67 rpm/min，图中“+”表示顺时针（CW）旋转，“-”表示逆时针（CCW）旋转。在第一个捕获衣藻的光阱水平线上设置第二个光阱，第二个光阱功率设置为35-50mW，然后光束以70kHZ-100kHZ的频率在两个光阱点之间进行快速地进行切换，则两个光阱点都可以捕获衣藻细胞，且被捕获的衣藻进行旋转运动，且两个光阱点之间的距离保持在10-15μm，避免被捕获衣藻出现重叠，则最终形成1×2的光阱阵列。也可以根据实际需要改编编程计算机产生的全息图得到需要的光点阵列机构。然后将由声光偏转(AOD)系统控制的环形扫描光阱按顺序应用于旋转微马达的外边界上，从而环形扫描光阱控制微马达的旋转。

实施例3

如图5（a）-（c）所示为扫描陷阱不同光功率下微马达旋转图，面板i为示意图，其中细箭头表示微马达的旋转，粗箭头表示环形扫描捕集器的方向，面板ii-v显示一个旋转微马达的显微图像，圆形箭头表示旋转方向，箭头表示旋转时微马达上的参考点，其中图5（a）为没有扫描捕集器时微马达逆时针（CCW）旋转，图5（b）为扫描陷阱光功率为75mw，微马达旋转反转为顺时针（CW），随着扫描陷阱光功率增加，即扫描陷阱光功率由95mw增加到110mw时，顺时针旋转（CW）速度增加，如图5（c）所示；扫描陷阱光功率与微马达转速之间有如图6所示的线性关系。当中央陷阱光功率为40mw时微马达旋转逆时针（CCW）转速约75 rpm/min，采用顺时针（CW）扫描捕集序列后，微马达的逆时针（CCW）旋转开始减速，当光功率大于35mw时逐渐转向顺时针（CW）。图7显示在捕获陷阱光功率40mw时x和y方向的捕获电位，提取刚度陷阱捕捉潜在的拟合系数，不同功率的捕获刚度测量结果如图8所示，一旦将扫描陷阱序列应用于外边界，就会在衣藻（CR）上诱导一个转矩，使微马达可以根据光功率以不同的转速进行可控旋转。不同扫描陷阱功率下的计算转矩如图9所示。这样就可以得到光到功的转换效率，其数量级为1×10¹³。综上所述，通过结合扫描陷阱方向和功率控制，实现均匀旋转、周期旋转、交替旋转等不同的旋转方式。

实施例4

通过在计算机中改变全息图实现微马达阵列及其重构，即通过设置预定的陷波序列实现所需阵列。如图10所示为构建的不同微马达阵列结构示意图，光阱阵列的第一个点捕获衣藻（CR）后，衣藻（CR）细胞会按照设定的光阱阵列向后续阵列中的点进行移动，进而形成所需的微马达阵列形状。微马达不仅可以形成1 ×2、1 ×3、2 ×2、3 ×3等规则阵列，还可以形成不规则的微马达阵列，如“J N U”等复杂图形。在实际应用时，可以根据实际需求实时重新构建或者变换阵列形状或结构。如图11所示为1 ×2微马达阵列与单个微马达在清除1.5μm二氧化硅颗粒对比图，在图11中在0-1.5s时，二氧化硅颗粒聚集物聚集在一起，使用1 ×2微马达阵列对其进行清除，在1.5s之后二氧化硅颗粒聚集物分散开，将微马达阵列转换成2 ×1进行清除，即可以根据目标物实时改变微马达阵列形状或结构。同时微马达阵列除了可以集体地高效完成任务，还可以在目标区域内进行独立协作地操作。在微马达清除过程中发现鞭毛可以作为生物性动力武器来执行复杂的任务，比如通过对目标进行反复击打来破坏生物聚集物。鞭毛还可以用作生物动力手臂，通过敲打来完成复杂的任务。由图11可知微马达阵列所需时间仅是单个微马达所需时间的一半。

实施例5

为了验证生物微马达在复杂生物环境中的应用，将生物微马达置于微流体环境中操作，如图12所示为生物微马达在具有流动介质的微毛细管中的应用，以内径0.9 mm、壁厚0.1 mm、长120 mm的玻璃毛细管为材料，加热玻璃毛细管2分钟，直到达到熔点，在加热区以3mm /s的拉伸速度拉伸，使毛细管拉伸至原本长度的10-15倍，制成中心内径约为30μm的玻璃微细管。制作完成后，将含有生物聚集物的溶液用样品注射泵注入微毛细管，调整毛细管长度和注射泵注入速度，使毛细管中液体流动速度约为10μm/s。利用中心光阱（40mW）捕获衣藻形成微马达，按照实例3进行实验控制微马达在毛细管中的旋转情况。控制微马达在靠近目标生物聚集物的地方进行旋转，利用微马达的旋转运动对目标聚集物（圆圈区域）进行破坏。控制环形扫描光阱使微马达进行逆时针旋转，每旋转一圈，微马达就会对目标区域进行一次击打，持续击打使目标聚集物逐渐被破坏，聚合体在11s内被完全破坏，并被流动的流体进一步移除。即有害的生物聚集去除毛细管样环境，如血管。

如图13所示为微马达在不同的生物培养基(如细胞培养液(Dulbeccos modifiedEagle medium，DMEM)、唾液、人血清、血浆、血液和骨髓液)中表现出可控制的运动。由于粘度不同，微马达在不同的生物介质中呈现不同的速度。作为直接的比较，血清中旋转马达的速度约为6.7μm/s。这一速度小于声动力磁导模拟红血球微马达在血清中的速度(10μm/s)，但大于光驱动CdTe或CdSe@ZnS量子点/Fe₂O₃纳米颗粒封装的微马达在血清中的速度(3μm/s)。在不同的生物介质中，这种可控制的运动能力将对许多机器人的靶向应用(如靶向给药)非常有用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.具有可重构性的生物微马达阵列，其特征在于，所述可重构性的生物微马达阵列包括：

红外激光源，用于发射激光束；

第一分色镜，用于将激光束收集进入物镜；

LED光源，提供光源，用于照明；

第二分色镜，将样本平面上的图像收集进入COMS相机；

COMS相机，用于实时观察和记录样品台内的样品；

2.根据权利要求1所述的具有可重构性的生物微马达阵列，其特征在于，通过控制计算机产生的全息图，根据不同应用需求，灵活改变生物微马达阵列形状或结构。

3.根据权利要求1所述的具有可重构性的生物微马达阵列，其特征在于，所述生物微马达阵列中，通过控制声光偏转器光阱序列旋转方向控制微马达旋转方向，通过调整光阱功率控制微马达旋转速度；结合扫描光阱方向和控制功率，实现微马达阵列及阵列中微马达个体均匀旋转、周期旋转、交替旋转的可控旋转。

4.根据权利要求1所述的具有可重构性的生物微马达阵列，其特征在于，所述生物微马达阵列为衣藻微马达阵列，衣藻微马达在清除过程中鞭毛可以作为生物性动力武器。

5.根据权利要求4所述的具有可重构性的生物微马达阵列，其特征在于，所述鞭毛可以通过对目标进行反复击打来破坏生物聚集物。

6.一种根据权利要求1所述的具有可重构性的生物微马达阵列的应用，用于微流体环境中执行任务。