바이오 하이브리드 마이크로 스위머

Biohybrid microswimmer
시리즈의 일부
미생물 및 마이크로봇 이동
Flagellum from a gram-negative bacterium (unlabelled).png
마이크로스위머
택사
택시
키네시스
마이크로봇 및 입자
바이오하이브리드
집단 운동
분자 모터
생체 모터
합성 모터
관련된

바이오하이브리드 마이크로스위머는 예를 들어 하나 또는 여러 개의 살아있는 미생물이 하나 또는 여러 개의 합성 부품에 부착된 생물학적 성분과 인공 성분 모두를 포함하는 마이크로스위머로 정의할 수 있다.

최근 몇 년 동안 나노 및 메소스코프 물체는 자연에서 직접 영감을 얻거나 기존의 도구를 이용하여 집합적으로 움직이도록 설계되어 왔습니다.작은 메조스코프부터 나노스코프까지의 시스템은 일반적으로 낮은 레이놀즈 수(Re 1 1)에서 작동하며, 그 움직임을 이해하는 것은 어렵다.이동이 일어나려면 시스템의 대칭이 깨져야 합니다.

또한 집단 발의에는 집단을 구성하는 주체들 간의 결합 메커니즘이 필요하다.무리짓는 행동을 할 수 있는 메조스코픽에서 나노스코픽으로의 엔티티를 개발하기 위해 엔티티는 잘 정의된 형태와 대칭이 깨지는 것이 특징이며 에너지를 수확할 수 있는 물질로 구동된다는 가설을 세웠다.수확된 에너지가 물체를 둘러싼 장으로 이어질 경우, 이 장은 인접 물체의 장과 결합되어 집단 행동에 어느 정도 조정을 가져올 수 있다.이러한 로봇 무리는 온라인 전문가 패널에 의해 로봇 분야에서 해결되지 않은 10대 그룹 과제 중 하나로 분류되었다.기본적인 작용 메커니즘에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있지만, 에너지를 수집함으로써 제어되고 제어되지 않은 무리 운동을 할 수 있는 다양한 시스템이 개발되었습니다(예: 빛, 열 등).

지난 10년 동안 살아있는 이동 미생물이 구속되지 않은 인공 구조와 물리적으로 통합된 바이오 하이브리드 마이크로로봇은 목표지에 대한 능동적인 이동과 화물 배송을 가능하게 하는 데 관심이 높아지고 있다.운동성 외에 인공 및 환경변화에 대한 적절한 반응을 감지하고 도출하는 내재적 능력은 세포 기반의 바이오 하이브리드 마이크로로봇을 진단 및 치료제의 국소적 능동 전달을 위해 인체의 접근 불가능한 공동으로의 화물 수송을 호소하게 한다.

배경

생체내 마이크로로봇의 기본 기능 [1]
생물 잡종 접근법에서는 이러한 세 가지 기본 특징이 모두 미생물에 의해 생물학적으로 또는 인공적으로 구현될 수 있다.파란색은 생물학적 실체(편모세포 또는 표적 세포)를 나타내고 빨간색은 인공 구조물(부착된 튜브, 나선형, 입자 또는 외부 장치)을 나타냅니다.왼쪽 위 패널의 화살표는 운동성 액터를 나타내고 오른쪽 위 패널의 파형 라인은 신호 경로를 나타냅니다.하부 패널은 세포-세포 상호 작용 또는 합성 화물(빨간 입자)에 기반하여 기능을 수행하는 방법을 보여줍니다.

바이오하이브리드 마이크로스위머는 예를 들어 하나 또는 여러 개의 살아있는 미생물이 하나 또는 여러 개의 합성 [1][2]부품에 부착된 생물학적 및 인공 성분으로 구성된 마이크로스위머로 정의될 수 있습니다.이 분야의 선구자는 몬테마그노와 바찬드로, 1999년 NEMS라고 불리는 하이브리드 무기/[3]유기 나노 전자 시스템의 준비를 가능하게 하는 나노 기판에 대한 생물학적 분자의 특정 부착 전략에 관한 연구를 했다.이들은 전자빔 리소그래피에 의해 생성된 금, 구리 또는 니켈 나노어레이 패턴에 고정된 F1-ATPase 생체분자 모터를 만들기 위해 호열성 박테리아인 Bacillus PS3에서 F1-ATPase가 대량으로 생성되는 것을 설명했다.이 단백질들은 합성 펩타이드가 부착된 1미크론 미세구에 부착되었다.그 결과, 화학 활성 부위가 있는 플랫폼의 준비와 생체 분자 모터의 에너지를 유용한 작업으로 [2]변환할 수 있는 바이오 하이브리드 디바이스의 개발을 달성했다.

과학에서 가장 근본적인 질문 중 하나는 [4]생명을 정의하는 것이다.집단 운동은 [5]삶의 특징 중 하나이다.이는 자연계에서 다양한 차원 수준에서 흔히 볼 수 있는 것으로, 에너지가 넘치는 실체가 협동하여 운동성 집적 패턴으로 모인다.이러한 운동성 집적 사건은 다른 많은 사건들 중에서 동적 집단으로 볼 수 있다. 예를 들어, 박테리아, 메뚜기 무리 또는 [6][7][8]새의 떼짓기 행동과 같은 단세포 유기체이다.

뉴턴이 운동 방정식을 확립한 이후, 과학 역사에서 마이크로스케일에 대한 운동의 미스터리는 종종 등장했는데, 간단히 논의되어야 하는 몇 개의 기사에서 잘 증명되었다.첫째, Osborne Reynolds에 의해 널리 알려진 중요한 개념은 유체의 움직임에 대한 관성과 [2]점도의 상대적 중요성은 고려 중인 시스템의 특정 세부 사항에 달려있다는 것입니다.레이놀즈 수 Re는 그의 이름을 따서 이 비교를 특징적인 관성력과 점성력의 무차원 비율로 수량화한다.

여기서 δ는 유체의 밀도를 나타내고, u는 유체의 고유속도(예를 들어 헤엄치는 입자의 속도), l은 고유길이척도(예를 들어 수영하는 입자의 크기), μ는 유체의 점도를 나타낸다.부유액을 물로 받아들이고 실험적으로 관찰한 u 값을 사용하면 물고기(Re = 100)와 같은 거시적 수영객에게 관성이 중요한 반면, 점도는 박테리아(Re = 10−4)[2]와 같은 미소 스케일 수영객의 움직임을 지배한다는 것을 알 수 있다.

마이크로미터 척도의 수영에서 점도의 중요성이 압도적으로 높기 때문에 수영 전략에 깊은 영향을 미칩니다.이것은 독자를 미생물의 세계로 초대하고 이론적으로 미생물의 [9]운동 조건을 연구한 E. M. 퍼셀에 의해 기억될 수 있는 토론이다.우선, 대규모 수영선수들의 추진 전략은 종종 소용돌이 제거와 같은 주기적인 이산 사건에서 주변 유체에 운동량을 주고 관성을 통해 이러한 사건들 사이를 활주하는 것을 포함한다.이는 박테리아와 같은 미세 크기 수영객에게는 효과적이지 않다. 점성이 큰 감쇠로 인해 미크론 크기의 물체의 관성 타력 주행 시간은 약 1μs이다.일반적인 속도로 움직이는 미생물의 타력 거리는 약 0.1앙스트롬(α)입니다.퍼셀은 현재 미량 물체에 가해지는 힘만이 추진에 기여하기 때문에 지속적인 에너지 전환 방법이 [9][2]필수적이라고 결론지었다.

미생물은 지속적인 에너지 생산을 위해 신진대사를 최적화한 반면, 순수하게 인공 마이크로 스위머(마이크로로봇)는 선내 저장 용량이 매우 제한적이기 때문에 환경으로부터 에너지를 얻어야 한다.에너지의 지속적인 소산의 결과로, 생물학적 및 인공적 마이크로 스위머는 평형 통계 물리 법칙을 따르지 않으며, 비균형 [2]역학으로 설명될 필요가 있다.수학적으로, Purcell은 Navier-Stokes 방정식을 취하고 관성 항을 제거함으로써 낮은 레이놀즈 수의 함의를 탐구했다.

서u {u는 유체의 이고 p {\ \{\는 압력의 기울기입니다.Purcell이 지적한 바와 같이, 결과 방정식인 Stokes 방정식은 [9]명시적인 시간 의존성을 포함하지 않습니다.이는 부유체(예: 박테리아)가 주기적인 기계적 움직임이나 변형(예: 편모)을 통해 헤엄칠 수 있는 방법에 몇 가지 중요한 결과를 가져온다.첫째, 운동 속도는 실질적으로 마이크로스위머와 주변 유체의 운동과는 무관합니다. 운동 속도를 변경하면 유체와 마이크로스위머의 속도 범위가 바뀌지만 유체 흐름의 패턴은 바뀌지 않습니다.둘째, 기계적 움직임의 방향을 반대로 하면 시스템의 모든 속도가 반대로 됩니다.스토크스 방정식의 이러한 특성은 실현 가능한 수영 [9][2]전략의 범위를 심각하게 제한한다.

최근 발표된 바이오하이브리드 마이크로스위머는 정자세포, 수축근육세포, 박테리아를 생물학적 성분으로 사용하는 것을 포함하고 있는데, 이는 화학에너지를 효율적으로 이동시킬 수 있고 환경조건에 따라 복잡한 움직임을 수행할 수 있기 때문이다.이런 의미에서 바이오 하이브리드 마이크로 스위머 시스템은 다양한 기능 구성 요소(화물과 운송업체)의 조합으로 설명할 수 있습니다.화물은 맞춤형 방식으로 이동(및 가능한 경우 해제)해야 하는 요소입니다.캐리어는 바이오 하이브리드의 이동을 담당하는 구성 요소로, 표면에 연결된 원하는 화물을 운반합니다.이러한 시스템의 대부분은 표적 약물 [1]전달을 위해 합성 화물의 운송을 위해 생물학적 운동 추진에 의존하고 있다./ 반대의 사례도 있다: 생물학적 화물 [10][11][2]시스템을 갖춘 인공 마이크로 스위머.

지난 10년 동안 살아있는 이동 미생물이 구속되지 않은 인공 구조와 물리적으로 통합된 바이오 하이브리드 마이크로로봇은 목표지에 [12][13][14][15]대한 능동적인 이동과 화물 배송을 가능하게 하는 데 관심이 높아지고 있다.운동성 외에 인공 및 환경변화에 대한 적절한 반응을 감지하고 도출하는 내재적 능력은 세포 기반의 바이오 하이브리드 마이크로로봇을 진단 [16][17][18]및 치료제의 국소적 능동 전달을 위해 인체의 접근 불가능한 공동으로의 화물 수송을 호소하게 한다.이동식 마이크로로봇에 내장된 농축 치료제 및 진단제를 능동적으로 이동, 표적화 및 작동 위치로 이동시키면 기존 [19][20][21]치료법의 기존 과제를 극복할 수 있다.이를 위해, 박테리아는 구슬과 유령 세포체와 [22][23][24][25][26][27][28][29][30]함께 일반적으로 사용되어 왔다.

세균성 잡종

참고 항목: 세균의 운동성
구체를 가진 세균 구동 바이오 하이브리드 마이크로 스위머 [31]
(a) 직경 2μm의 폴리스티렌 마이크로비드를 나타내는 SEM 이미지(각각 소수의 대장균에 의해 부착됨)
(b) 각 박테리아의 힘과 운동반응 토크가 상태에 따라 달라지는 구형의 미세 비드에 가해지는 힘 및 토크의 그림.

인공 마이크로와 나노위머는 에너지를 [32][11]운동으로 변환하는 작은 크기의 장치이다.2002년 첫 번째 성능 시연 이후 이 분야는 새로운 준비 방법론, 추진 전략, 모션 제어 및 예상되는 [33][34]기능 면에서 빠르게 발전해 왔습니다.이 분야는 약물 전달, 환경 교정 및 감지와 같은 응용 분야에 대해 유망하다.이 분야의 초기 초점은 주로 인공 시스템에 집중되었지만, 점점 더 많은 수의 "바이오 하이브리드"가 문헌에 등장하고 있다.살아있는 유기체의 필수적인 기능은 본질적으로 [35]움직이는 능력과 관련이 있기 때문에 인공적인 요소와 생물학적 요소를 결합하는 것은 잘 통제된 새로운 마이크로 스위머 기능을 얻기 위한 유망한 전략이다.모든 규모의 생물은 환경 자극(예: 온도 또는 pH)에 반응하여 이동하며, 식량원을 찾거나 번식하거나 포식자로부터 도망친다.가장 잘 알려진 살아있는 미세 시스템 중 하나는 헤엄치는 박테리아이지만, 방향 운동은 생물학적 작업을 [36][2]수행하기 위해 효소와 단백질이 구조적인 변화를 겪는 분자 규모에서도 일어납니다.

헤엄치는 박테리아 세포는 하이브리드 마이크로스위머의 [37][38][39][40]개발에 사용되어 왔다.박테리아 세포에 대한 화물 부착이 그들의 수영 [2]행동에 영향을 미칠 수 있습니다.군집 상태의 박테리아 세포는 잡종 마이크로스위머의 개발에도 사용되어 왔다.Swarming Serratia Marcescens 세포는 PDMS 코팅 커버슬립으로 옮겨졌고, 그 결과 저자들에 의해 "박테리아 카펫"이라고 불리는 구조가 형성되었습니다."자동 이동 칩"이라고 불리는 이 박테리아 카펫의 다른 모양의 평평한 조각들이 2차원으로 [41]현미경 슬라이드 표면 위로 이동했습니다.다른 많은 연구들은 Serratia Marcescens swarming [42][43][44][45][46][47]세포와 대장균 swarming 세포를 하이브리드 마이크로스위머 [2]개발에 사용했습니다.자기장성 박테리아는 생체 잡종 운동 시스템에서 [49][50][51][52][53][2]다용도하기 때문에 다양한 연구의 초점이 되어 왔다.

원생 생물 잡종

참고 항목: 프로티스트 이동

알갈

바이오 하이브리드 클라미도모나스 라인하드티 마이크로 스위머 [30]
톱: 바이오 하이브리드 C. reinhardtii의 생산 단계도.
하단: 키토산 피복 산화철 나노입자(CSIONPs)로 코팅된 베어 미세조류(왼쪽)와 바이오 하이브리드 미세조류(오른쪽)의 SEM 이미지.이미지는 가짜로 만들어졌어요.오른쪽 SEM 이미지의 진한 녹색은 미세조류 세포벽의 키토산 코팅을 나타냅니다.주황색 파티클은 CSIONP를 나타냅니다.

Chlamydomonas reinhardtii는 단세포 녹색 미세 조류이다.야생형 C. reinhardtii는 [54]지름이 평균 약 10 μm인 구형이다.이 미생물은 가시광선을 인지하고 100–200 μm−1 [18]s의 높은 수영 속도로 가시광선에 의해 조종될 수 있다(즉, 광축).라벨이 없는 형광 [54]이미징을 가능하게 하는 자연 자기 형광을 가지고 있습니다.C. reinhardtii는 치료제의 [18]적극적인 전달을 위한 바이오 하이브리드 마이크로로봇의 활성 성분으로 활발하게 연구되어 왔다.그들은 건강한 포유동물 세포와 생체 적합하며 알려진 독소를 남기지 않고 생리적으로 관련된 매체에서 이동하며 세포벽에 [18][55][56][57][58]화물을 운반하기 위해 표면 변형을 허용합니다.C. reinhardii에 대한 대체 부착 전략은 정전 상호작용[18][55] 및 공유 [59]결합에 의한 상호작용 표면 수정을 통해 어셈블리에 제안되었습니다.[30]

로보콜리스

폴리도파민과 코코리스를 결합한 로보콜리스 잡종 [60]
EHUX 콕콜리소포어는 콕콜리스를 분리하기 위해 배양됩니다.콕석(비대칭 형태학)이 빛에 노출되면 집단 운동이 관찰되지 않는다.그리고 나서 콕콜리스를 도파민 용액과 부드럽게 섞는다.따라서 로보콜리스를 설계하기 위한 기초로서 폴리도파민 코팅 코크리스 하이브리드를 얻을 수 있다.빛의 들뜸과 로보콜리스의 비대칭은 폴리도파민의 광열 특성 때문에 열 유속을 발생시킵니다.이웃한 로보콜리스로부터의 대류의 결합은 그들의 움직임을 집합적인 집합 운동으로 변화시킨다.또한 생체 고분자의 비특이적 부착 및 응집 감소 가능성을 방지하고 제어하기 위해 로보콜릿 기능화가 제안된다.
콕콜리스 형태학의 비대칭 건축 [60]
(A) EHUX 콕콜리소포체를 성공적으로 배양하여 SEM(scale bar, 4μm)으로 시각화하였다.
(B) 이어서 EHUX 콕콜리소포어에서 셀 소재를 분해하여 분리하여 SEM에 의해 가시화된 복수의 콕콜리스(상단, 스케일바, 20μm)와 개별 콕콜리스(하단, 스케일바, 1μm)를 분리하였다.
(C) 각 구석의 AFM 화상.마이크로그래프 크기, 4 × 4 μm.
(D) AFM 배율(AfM abliation)은 AFM 배율.스케일 바, 400 nm.
(마) 특정 형태학적 파라미터를 나타내는 콕석체의 그림.
(F) 특정 형태학적 파라미터의 전형적인 플롯값.데이터는 평균 ± SD(n = 55)로 표시되며, 여기서 n은 TEM에 의해 시각화되는 코코리스의 수이다.

집단 운동은 [5]삶의 특징 중 하나이다.개별적으로 이루어지는 것과는 대조적으로, 복수의 엔티티는 각 참가자 간의 국소적인 상호작용을 근접하게 발생시킬 수 있게 한다.집단 행동의 각 참가자를 (바이오) 물리적 변환기로 간주하면 에너지가 한 유형에서 다른 유형으로 전환됩니다.그러면 프록시메트릭은 에너지 변환을 통한 인접 개인 간의 향상된 커뮤니케이션을 선호하며, 복합 [61][60]동력 구조의 역동적이고 복잡한 시너지 작용으로 이어진다.

최근 몇 년 동안 나노 및 메소스코프 물체는 자연에서 직접 영감을 얻거나 기존의 [62][63][64][65]도구를 이용하여 집합적으로 움직이도록 설계되어 왔습니다.이러한 로봇 무리들은 온라인 전문가 패널에 의해 [66]로봇 분야에서 해결되지 않은 10대 그룹 과제 중 하나로 분류되었다.기본적인 작용 메커니즘에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있지만, 에너지를 수집함으로써 제어되고 제어되지 않은 무리 운동을 할 수 있는 다양한 시스템이 개발되었습니다(예: 빛, 열 등).[67]중요한 것은 이 에너지가 시스템이 [60]움직일 수 있는 순력으로 변환되어야 한다는 것입니다.

작은 메조스코프부터 나노스코프까지의 시스템은 일반적으로 낮은 레이놀즈 수(Re 1 1)에서 작동하며, 그 움직임을 이해하는 것은 어렵다.[68]이동이 일어나려면 시스템의 대칭성이 깨져야 한다.14 또한, 집단 운동을 위해서는 [60]집단을 구성하는 주체들 간의 결합 메커니즘이 필요하다.

무리짓는 행동을 할 수 있는 메조스코픽에서 나노스코픽으로의 엔티티를 개발하기 위해 엔티티는 잘 정의된 형태와 대칭이 깨지는 것이 특징이며 에너지를 수확할 수 있는 물질로 구동된다는 가설을 세웠다.수확된 에너지가 물체를 둘러싼 장으로 이어질 경우, 이 장은 인접 물체의 장과 결합되어 집단 [60]행동에 어느 정도 조정을 가져올 수 있다.

Emiliania huxleyi(EHUX) 콕콜리소포 유래 비대칭 콕콜리스는 대칭이 깨지고 형태학이 명확한 나노/메소스코프 객체의 선택 후보로 두드러진다.EHUX 코코리석은 석회석 [69]조성으로 인한 열역학적 안정성 외에도 독특하고 정교한 비대칭 형태학이 중요한 장점입니다.EHUX 코코리스는 중앙 링으로 연결된 근위부 및 원위부 디스크를 형성하기 위해 여러 개의 해머 헤드 리브에 의해 배치되는 것이 특징입니다.이러한 디스크는 크기가 다르지만, 코코리스를 곡률로 만들 수 있으며, 일부는 왜건 [70]휠과 비슷합니다.EHUX 콕콜리스는 해양에서 [71]생물성 칼사이트의 주요 생산지인 단세포 해양조류의 유일한 그룹인 EHUX 콕콜리소포로부터 분리될 수 있습니다.콕콜리소포는 특수한 소낭에 [72]의해 연속적으로 구동되는 과정에서 탄산칼슘 비늘(코콜리스)과 같은 복잡한 3차원 광물 구조를 세포 내에서 생성할 수 있습니다.

비대칭 구석으로 보호되는 에밀리아니아 헉슬레이

과정이 끝난 후 형성된 콕콜리스는 세포 표면으로 분비되어 외골격(즉, 콕코스피어)을 형성한다.코크리스 아키텍처의 폭넓은 다양성은 나노테크놀로지 또는 [74]바이오의학에서 특정 응용 분야에 대한 추가 가능성을 낳습니다.특히 EHUX 생코콜리소포어에서 유래한 무생물코콜리스를 저배양 비용과 빠른 번식률로 실험실에서 쉽게 분리할 수 있으며, 메소폴러스 구조(pore size 4 [75][60]nm 범위 내)를 나타내는 적당한 표면적(약 202 m/g)을 가지고 있다.

EHUX 코크리스 양쪽에서 에너지를 채취하면 순력을 발생시켜 방향성을 유지할 수 있을 것으로 생각됩니다.구석은 다양한 용도로 사용될 가능성이 크지만 에너지를 수확할 수 있도록 표면 특성을 미세하게 [76]조정해야 합니다.홍합에 있는 접착성 단백질의 조성에 영감을 받아, 도파민 자가 중합은 현재 거의 모든 종류의 [77]물질에 대해 가장 다용도적인 기능화 전략이다.폴리도파민은 표면 화학과 광흡수 특성이 다양하기 때문에 불활성 [78][79][80]기판의 에너지 수집 기능을 보조하는 데 이상적입니다.본 연구에서는 폴리도파민 코팅의 이점을 활용하여 비활성 및 무생물의 콕콜리스에 고급 에너지 수집 기능을 제공하는 것을 목표로 한다.폴리도파민(PDA)은 근적외선(NIR) 빛 [81]들뜸 상태에서 물체와 주변 수용액 사이에 최대 2°C의 열 확산 효과가 있기 때문에 폴리스티렌 비즈의 이동을 유도하는 것으로 이미 밝혀졌다.그러나 집단행동은 보고되지 않았다.여기서 우리는 최초로 폴리도파민이 가시광선(300~600nm) 아래에서 코콜리스와 같이 구조적으로 복잡하고 자연적이며 제어하기 어려운 구조의 집단 행동을 유도하는 활성 성분으로 작용할 수 있음을 증명한다.그 결과, 유기-유기 하이브리드 조합(코콜리스-폴리도파민)은 로보콜리스를 [60]설계할 수 있게 된다.

도파민 중합은 용액에서 진행되며, 이 용액에서 콕콜리스 표면에 흡착되는 작은 콜로이드 응집체를 형성하여 합류막을 형성한다.이 필름은 표면적이 높고 에너지 수확이 향상된 것이 특징입니다.폴리머 골격의 켤레 특성 때문에 폴리도파민은 가시 [60]영역을 포함한 넓은 전자기 스펙트럼에 걸쳐 빛을 흡수할 수 있다.

그 결과, 코크리스 표면에 광열 효과를 부여하고, PDA의 존재에 의해 국소적으로 가열되어 대류를 발생시킨다.이 국소 대류는 근처의 또 다른 국소 대류와 결합되어 개별 로보콜리스를 결합할 수 있으며, 이를 통해 집단 운동을 가능하게 합니다(그림 1).[60]

따라서 빛이 이방성 로보콜리스를 만나면 표면에 PDA가 있어 발생하는 광열 변환 때문에 국소적으로 가열됩니다.강한 국지적 가열은 로보콜리스의 양쪽에서 다른 대류를 발생시켜 관측된 움직임을 일으킵니다.이러한 대류는 이웃한 로보콜리스의 대류와 결합되어 "스위밍" 운동을 일으킬 수 있습니다.또한 Robocolith의 표면은 오염 방지 폴리머 브러시를 수용하여 잠재적으로 응집 방지하도록 설계되어 있습니다.비록 1차 광활성 대류 접근법이 로보콜리스의 움직임을 이해하기 위한 첫 번째 단계로 취해지지만, 다기능 로보콜리스가 우글거리는 바이오 마이크로마신으로서 [60]차세대 로보콜리스를 위한 길을 닦기 위해 많은 기계적 접근법이 현재 개발되고 있다.

생물의학 응용 프로그램

생체 잡종 세균 마이크로 스위머 [82]
바이오 하이브리드 규조암 마이크로 스위머 약물 공급 시스템
종양 표적 태그로 작용하는 비타민 B-12(빨간색 구)와 연결된 광활성 분자(주황색 구)로 기능하는 규조판 표면.이 시스템에는 화학요법 약물(연청색 구)을 탑재할 수 있으며, 이 약물은 대장암 세포에 선택적으로 전달될 수 있습니다.또한 규조미립자를 광활성화하여 일산화탄소 또는 종양세포 아포토시스를 [83][84]유도하는 유리기를 발생시킬 수 있다.

주로 통합된 생물학적 액추에이터와 합성 화물 운반선으로 구성된 바이오 하이브리드 마이크로 스위머는 최근 최소 침습성 무차별 애플리케이션에 [85][86][87][21]대한 가능성을 보여주었다.bacteria,[22][27]microalgae,[88][18]과 spermatozoids,[89][90]을 포함한 미생물을 겨냥의 환경적으로 자율적 통제, 좁은 틈새로 들어와항해, 종양의 괴사 지역에 축적 등과 같은 첨단 의료 기능을 가진 다양한 biohybrid microswimmers을 만드는 것이 활용하고 있다.환경이다.[91]chemoattractants,[93]pH등 다양한 환경의 자극, 위한 것과 음향 자기 소해함 fields,[10][92]와 생물적 작동기의 고유한 택시 행동 등과 같은 장기 적용은 외부 장과 함께 합성 화물 운반의 Steerability, oxygen,[94][17] 넓은 범위의biohybrid microswimmers 유망한 후보자가 되다.의료 활동화물 배달 응용 프로그램.[91][82]

박테리아는 낮은 레이놀즈(Re) 수 흐름 조건에서 높은 수영 속도와 효율성을 가지며, 외부 환경 신호를 감지하고 반응할 수 있으며 형광 또는 초음파 이미징 기술을 [95][96][97]통해 외부에서 검출될 수 있다.그 고유의 감지 능력으로 인해, 다양한 박테리아 종은 잠재적인 항종양제로 조사되어 임상 [98][99][100][101][102][103]전 및 임상 시험의 대상이 되어 왔다.피부 및 내장 미세 환경과 같은 인체 내 다른 박테리아 종의 존재는 여러 의료 애플리케이션에서 잠재적 [104][82]신진단제 또는 보균자로서의 사용을 촉진했다.

반면 적혈구(RBC)와 같은 특화된 진핵세포는 높은 페이로드 효율성, 변형성, 분해성 및 생체적합성을 가진 자연의 가장 효율적인 수동적 운반체 중 하나이며 다양한 의학 [105][106][107]분야에서도 사용되어 왔다.같이 수동 운송 업체들과 다양한 질병이 간, 비장과 림프절에 발견된 치료를 위한 다른 생리 활성 물질 제공하기 위해 body,[109]에 적용된 물질의 순환 시간을 향상시키기 위해 RBCs과 RBC-derived nanovesicle, nanoerythrosomes,[108] 같은 성공적으로,과 a또한 암을 통해 채택되어 왔다dministra정맥주사,[110][111][112][113][114] 복강내, 피하 및 흡입 경로를 통해 경련을 일으킵니다.예를 들어, [115]생쥐에 정맥주사하기 전에 RBC의 막에 부착했을 때 면역세포에 의한 약물부하 입자의 인식 감소가 나타났다.또한, RBC에 결합되었을 때 나노캐리어들의 변화된 생물 축적 프로파일이 나타나 표적 [116]장기로의 나노캐리어 전달이 촉진되었다.폐동맥고혈압 치료제인 파수딜의 [114][82]체내 반감기도 나노에리트로솜에 넣었을 때 약 6~8배 증가한 것으로 알려졌다.

RBC의 뛰어난 화물 운반 특성도 바이오 하이브리드 마이크로 스위머 설계에 대한 관심을 불러일으켰다.최근에는 음파와 자기장을 [10]이용한 약물 및 초파라매틱 나노입자(SPION) 탑재 RBC의 적극적인 항법 및 제어가 제시되었다.RBC는 활성 화물 전달 애플리케이션을 [92]위한 이동성 박테리아로 구동되는 연성 바이오 하이브리드 마이크로 스위머의 제조에 추가로 활용되었다.약물 분자와 SPION이 적재된 RBC는 박테리아에 의해 추진되고 자기장을 통해 조종되었다. 자기장은 [82]RBC의 고유한 높은 변형성 때문에 크기보다 작은 틈을 통해 이동할 수 있었다.

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