光镊应用新突破：中山大学实现基于光镊的可控细胞微马达

近日，中山大学材料学院雷宏香副教授研究组使用Aresis China公司的Tweezer系列光镊，在完全生物兼容的细胞微马达研究中取得重要进展，在Advanced Functional Materials上发表题为“Controllable cellular micromotors based on optical tweezers”的内封底（Inside Back Cover）科研文章。该文章第一作者为中山大学材料科学与工程学院2016级本科生邹晓彬，雷宏香副教授为唯一通讯作者。

生物微马达可用于生物体微观尺度范围内装载、运输和卸载货物，调节神经纤维生长方向，选择性杀伤癌细胞，在生物医学等领域具有重要潜在应用。但是，生物微马达的组装仍面临挑战，如存在安全性、精确可控性和完全生物兼容性等不可兼得问题。 

针对这一关键科学技术问题，中山大学材料科学与工程学院雷宏香副教授研究组首次提出了一种基于光镊的普适性可控细胞微马达组装技术，实现具有高度安全性、精确可控性和生物兼容性的细胞微马达。 他们借助光镊系统产生一个圆形动态扫描光阱，利用动态光阱捕获并驱动单个细胞，使其沿着圆形轨迹运动，从而在圆形轨迹内部产生一个微型旋涡，位于旋涡内的细胞在剪切应力或转矩的作用下即可发生旋转。重要的是， 细胞马达旋转速率和方向可通过改变动态光阱的扫描频率和扫描方向加以精确控制 。该方法结合光力操控和水力操控两种技术的优势，非接触、无损伤且不依赖于细胞的种类和大小，对无运动能力的目标细胞和具有运动能力的目标细胞（即游泳细胞）都适用。此外，借助该方法还实现了细胞微马达的同步平移和旋转，构建了完全生物兼容的细胞微马达阵列。所以，这种技术在靶向药物递送、生物微环境监测、生物传感以及生物医学治疗等方面具有较大的潜在应用价值。

细胞微马达的同步平移和旋转。a） 酵母细胞在1.40 s内进行360°旋转。

b）17.10 s内细胞微马达平移轨迹的合成图像。为简化起见，图中只保留了初始力矩（t=0）的轨道粒子

文章摘选：
“我们提出了一种新的基于光镊系统的多功能方法来实现安全性高、可控性好、生物相容性好的细胞微马达。我们在实验上证明了它不仅对静止的靶细胞具有旋转的作用，而且对游动的靶细胞也有很好的促进作用。与以往的旋转方法相比，该方法既保留了光镊的灵活性，又保留了水动力的可控性和无害性，为克服光镊和水动力操纵的一些关键限制提供了一条新的途径。

首先，这种方法可以应用于多种生物细胞，而不依赖于它们的固有特性；因此，它具有更高的生物相容性，并且有潜力在生物微环境中执行复杂的任务，这意味着它可以在不引入任何外源细胞的情况下在体内产生细胞微马达。例如，光镊已经被用于捕捉活体动物的红细胞；以体内的红细胞为靶细胞和轨道细胞，可以实现红细胞的可控旋转。微型旋涡的位置是可重构的，可在没有明显的空间限制的情况下有效地完成其任务。

第二，该方法可以实现细胞的旋转，并且可以控制细胞的旋转速度和方向。

第三，由于旋转速率可控，该方法可以实现细胞定向，易于实现植入过程的自动化。

第四，由于旋转力矩是由微型旋涡所施加的粘性力产生的，因此该方法不需要高激光功率来实现靶细胞的可控旋转，因此对生物样品是无害的。

第五，由于流体动力取决于流体的性质以及样品表面的形状和粗糙度，它可以作为一个微型流变仪来探测和表征局部流变特性，例如液体粘度；此外，在探索细胞对微环境和药物的敏感性时，它还可以作为细胞表面和形状畸变的指示器，以及感知微观物体之间相互作用的力。此外，这种方法可以耦合平动和旋转运动，从而产生一个可移动的微型旋涡，非常适合于多功能微马达。

最后，利用微流的分布特性和光镊的非接触操作优势，该方法能够组装细胞微马达检测器。

该方法在生物医学应用中具有潜在的应用前景，如制作精确的活体生物传感器；在不引入外源细胞的情况下探测生物微环境；以及监测实验药物、生物致动器和药物传递的效果。“

本文作者及科研团队所使用光镊链接：高速多光阱纳米光镊
本文转载自：https://www.sohu.com/a/397336790_120370286
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202002081
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