【材料】加州大学圣地亚哥分校Liangfang Zhang教授和Joseph Wang教授合作：新型细胞杂化微米马达

近年来，可以将能量转化为动力进而运动的微米马达越来越受关注，目前已应用于药物输送、手术导航、生物传感和毒素清除等领域。其中，基于镁的微米马达由于可以在胃肠液中自我驱动、运输药物并释放药物、快速生物降解等性能，具有在体内应用的独特优势，目前已被应用于胃肠道药物输送、抗原输送等。与早期完全合成的微米马达不同的是，近期有研究开始将细胞组分和合成材料整合在一起形成具有生物学功能的杂化马达：一类是利用细胞固有的运动特点（如精子、细菌、心肌细胞等）输送人工材料携载的药物，另一类是将细胞来源的材料（比如细胞膜）与合成马达组合，利用合成马达的运动能力进行药物输送。考虑到细胞载体在药物输送方面独特的优势，将整个细胞与合成的生物相容性良好、可降解的微米马达整合，将产生可用于体内的杂化马达系统。

基于此，近日，加州大学圣地亚哥分校Liangfang Zhang教授和Joseph Wang教授合作，开发了一种基于巨噬细胞（MΦ）和镁（Mg）微米马达的MΦ-Mg杂化马达，这种马达具有Mg马达的运动特点，同时具有MΦ清除细菌毒素的功能。相关研究成果发表在Adv. Mater.上，题为“A Macrophage–Magnesium Hybrid Biomotor: Fabrication and Characterization”（DOI: 10.1002/adma.201901828）。

（图片来源：Adv. Mater.）

这种杂化马达由Mg马达和MΦ组成（Figure 1）。作者先合成了Mg微米颗粒，然后依次在其表面覆盖上一层不对称的TiO₂和聚赖氨酸（PLL），由于一部分Mg未被覆盖而暴露在外面，因此可以与酸反应释放出气体使马达运动。随后，作者将这些马达和巨噬细胞在4 ℃的培养基中孵育1 h，使MΦ和马达通过电荷相互作用粘附在一起形成杂化马达。作者利用SEM和EDX对MΦ-Mg杂化马达的形貌和元素分布进行了分析，并在模拟胃液中验证了其运动性能，结果显示其运动时间可达数分钟，平均速度为127.3 μm/s。

通过对大小不同的杂化马达在模拟胃液中孵育不同时间后进行成像（Figure 2），作者发现3分钟后马达基本不再运动，其马达部分也变得透明，这是因为Mg被反应消耗，使中间变为空腔。作者对杂化马达的运动进行了理论分析，结果发现，随着Mg马达的尺寸增加，杂化马达的运动速度也增加。当MΦ的尺寸远大于Mg马达的尺寸时，MΦ会吞噬Mg马达，因此无法运动，而当MΦ的尺寸远小于Mg颗粒时，杂化马达的运动性能和Mg马达的运动性能相当。作者也通过实验对理论计算进行了验证，结果发现20-25 μm的杂化马达运动速度快于10-15 μm的杂化马达，同时杂化马达的速度小于相应Mg马达的速度。

（图片来源：Adv. Mater.）

为了进一步检测Mg马达的尺寸对杂化马达性能的影响，作者利用FITC标记的不同大小的PS颗粒模拟Mg马达，与MΦ共孵育。结果显示，小于5 μm的PS会被MΦ吞噬，而10 μm及更大的PS则会与MΦ粘附形成杂化马达（Figure 3）。因此要形成杂化马达，Mg马达的理想粒径应该大于5 μm。

（图片来源：Adv. Mater.）

接下来，作者通过钙黄素和Alexa Fluor594标记的LPS验证了杂化马达上MΦ的生物活性。荧光成像显示MΦ粘附在Mg马达上，且这不会影响MΦ的活性；而这些MΦ结合LPS的性能也没有受到明显影响（Figure 4）。通过不同时间的观察，作者发现这些粘附的MΦ可以在胃液中维持其生物活性长达4 h。这些结果表明形成杂化马达并不会影响MΦ的存活及其表面的功能蛋白。

（图片来源：Adv. Mater.）

最后，作者通过体外结合和中和试验研究了这种杂化马达清除大肠杆菌分泌的毒素（LPS）的能力。作者发现，在酸性培养基中，随着时间延长，杂化马达可以清除更多的毒素，可以在5 min内清除~66.82%的毒素，比MΦ高13%（Figure 5）。这是因为杂化马达可以在溶液中运动，增加了MΦ与LPS接触的机会。

（图片来源：Adv. Mater.）

作为一项概念性研究，本文开发了一种新型细胞杂化微米马达，作者分别以MΦ和Mg马达为细胞和马达模型进行了实验。实验结果显示，二者通过静电相互作用结合后不会影响细胞的活性和生物学功能。由于马达的运动性能，这种杂化马达在酸性条件下清除细菌毒素的能力强于MΦ。此外，这种杂化体系还可以由其他细胞和马达组成，以实现其他的特殊功能。