[发明专利]一种基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法

说明书

本发明公开了一种基于生物3D打印的生物微纳机器人及其构建方法，本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。本机器人的构建方法：采用基于离子交联的生物3D打印挤出成形技术一次性成形；携载药物单元是指全部或部分包含药物的水凝胶微管；该机器人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，驱使机器人运动；当生物微纳机器人与固体表面接触时，可以在水凝胶微管的头尾部分接种驱动细胞，驱使机器人运动。本发明机器人执行任务后降解，能最大程度减少对于应用生物体造成的伤害，而且实现药物的递送和释放。

技术领域

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。

发明内容

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。