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2013年9月16日

近日,德国科学家开发出一种由精子驱动的微型生物机器人,这项成果可能催生新的人工授精技术——人们也许能控制某个特定的精子移向卵子。研究结果发表于材料科学期刊《先进材料》(Advanced Materials)。

“精子具有驱动微米或纳米级机器设备的能力,单个精子细胞就能够推动铁磁性的微型管。”文章的第一作者、德累斯顿固体物理与材料研究所的博士生维罗妮卡·马格丹兹(Veronika Magdanz)介绍:“目前我们已具备了限制单个精子细胞、利用外部磁场控制精子按既定路线移动,以及通过改变温度控制精子移动速度的技术。”


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由德累斯顿集成纳米科学研究所开发的“精子机器人”。视频制作:Veronika Magdanz

维罗妮卡和同事设计的微型机器人由精子细胞和磁性微型管两部分组成。“我们使用的是牛精子,因为它们的形态与大小都与人类精子非常相似。”维罗妮卡告诉果壳网。微型管则是由钛-铁纳米薄膜制造而成,这些微型管直径5-8微米,比精子的头部稍微宽一些。当精子钻入管中并被限制住时,一个“精子机器人”就装配完成了。随后,研究者就能通过外加的磁场控制机器人的运动。

精子机器人,怀孕路上的顺丰速递

(a)光学显微镜下的牛精子图像;(b)和(d)微型管和管口处的牛精子的扫描电子显微镜图像;(c)微型生物机器人由被限制在磁性微型管内的精子细胞 构成,通过外加磁场进行遥控;(e)被困在微型管(黄色虚线)内的精子细胞 (黄色阴影),蓝色箭头指向精子头部,红色箭头指向精子鞭毛。
图片来源: Magdanz, V., Sanchez, S. and Schmidt, O. G. (2013), Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot. Adv. Mater. doi: 10.1002/adma.201302544

微型机器人的表现与微型管半径和精子钻入微型管的比例有关:微型管的半径越大,精子细胞钻入微型管的程度就越深,精子鞭毛所受到的运动限制也就越 大。与自由游动的精子相比,精子机器人速度要低得多。不过,通过改变介质的温度,研究者也能对机器人的速度加以调节。当温度上升时,精子机器人的移动速度 就会提高。

研究表明,外加磁场能对精子机器人实施良好的控制。在磁感应强度为 22mT的磁场控制下,精子机器人运动的方向性得到了显著提高。在后续实验中,研究者成功运用磁场操纵,将一个精子机器人从精子和微型管的混合物中分离出来。这些机器人还能长时间执行任务,“它们在室温中能活跃游动超过90分钟。”维罗妮卡说。

这种细胞-微型管装配系统能按需要套用到任何有鞭毛的生物上,因而具有灵活的应用优势。维罗妮卡表示:“我们现在所要面临的主要挑战在于要对细胞进行遥控释放以及在体内对微型管进行跟踪。”随着对微型管设计的优化,精子机器人还有望在显微操纵和靶向送药等领域大展身手。

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