科大工學院開發創新平台　一步到位製作類精子「微型機械人」

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊研發出創新磁力驅動平台，僅需一個步驟，便可製作類似精子結構（類精子）的微型機械人，在精準藥物輸送應用上具備優秀的活動能力和高效性能。團隊突破傳統微流控裝置無法處理精密3D結構的限制，成功簡化這些微型機械人的製作過程，有望將這項技術更廣泛地應用於生物醫學領域。

這種類精子「微型機械人（又稱為微游動器）」主要用作在人體內複雜的環境穿梭，幫助精準藥物輸送及微創手術。與傳統的微流控技術相比，類精子微型機械人在液體環境的游動效率較高，但要大量製造，並實現高效驅動和可控藥物釋放一直是個難題。

科大電子及計算機工程學系副教授申亞京領導的研究團隊受鰩魚精子的活動機制所啟發，開發出一部利用外在磁場驅動的漩渦湍流輔助微流控（VTAM）平台，能以一步到位的方法製成類精子微型機械人。這些新設計的類精子微游動器具有可控制推進的靈活尾部及有效載藥的核殼頭部，成功在不同黏度的流體環境中達至高效推進。

申教授表示：「VTAM平台成功以便捷的方法製造複雜的3D多形態結構，實現傳統層流設備無法做到的技術。為了實踐應用，我們致力進一步優化製造過程，以確保微游動器的一致性和穩定性。我們亦期望能進行體內測試，驗證這些微游動器在臨床環境中的實際效果。」

團隊研發的突破性VTAM平台結合了傳統十字形微流控晶片和旋轉磁力攪拌器所形成的漩渦容器。微流控晶片產生的磁性藻酸鹽液滴，通過毛細管轉移到氯化鈣溶液漩渦容器。這些液滴在漩渦流的作用下爆裂，令其內部的磁性藻酸鹽溶液暴露，並被漩渦流抽出，形成類精子的不對稱結構。在抽出尾部後，由於與氯化鈣溶液中的鈣離子發生交聯反應，微游動器便能在幾毫秒內凝固成形。通過此方法製成的微游動器具有可生物降解的核殼頭部和柔軟尾部，其形態亦可透過渦流轉速和溶液濃度進行調節。

為了進一步提高這些新型微游動器的藥物輸送性能，研究團隊在其表面塗上一層酸鹼性敏感膜，讓微游動器能在不同酸鹼值的環境下均達到緩慢並受控的藥物釋放效果。研究證實在不同環境條件下，有塗上該薄膜的微游動器表現出色，藥物釋放效果亦顯著高於未塗上該薄膜的微游動器。研究團隊其後將微游動器導入生物體模擬環境，並在特定位置釋放藥物，進一步印證這種新型微游動機械人在生物醫學上極具應用潛力。

申教授補充：「是次研究不僅展示仿生設計在生物醫學工程中的應用潛力，也為未來的藥物傳輸系統提供了新方向。隨著科技發展，我相信新型類精子微游動器將在不久將來為人類的健康事業作出更大貢獻。」

這項研究最近在《自然通訊》上發表，標題為「One-Step Formation of Polymorphous Sperm-Like Microswimmers by Vortex Turbulence-Assisted Microfluidics」。電子及計算機工程學系的研究助理教授楊雄博士及前博士後研究員譚蓉博士為論文的共同第一作者。

影片：The locomotion of polymorphous sperm-like microswimmers

（原文於2024年9月2日在EurekAlert刊登。）