利用螺旋藻（Spirulina）模板制备各向异性磁性螺旋微游动器及其与Janus PCL/壳聚糖纳米颗粒的整合

肩负重大使命的微观游动者

想象一支由微小螺旋形机器人组成的舰队在血流中游动，可由体外磁场操控，将抗癌药物直接运送到肿瘤部位。本研究将这一愿景向现实推进了一步：通过采用常见的螺旋形微藻螺旋藻（Spirulina）和专门设计的磁性纳米颗粒构建生物混合“微游动器”。工作展示了如何高效制造这些游动者、如何负载化疗药物，以及它们的形状如何影响在真实生物流体中行进的速度和距离。

将天然螺旋体变为微型机器

这项研究的核心是一条巧妙的捷径：研究团队没有在实验室里逐一雕刻微观螺旋，而是借用了自然界现成的螺旋体。作为保健补充剂广为人知的螺旋藻本身就是一种螺旋（弹簧状）的微藻。研究者先用氧化铁对这些天然螺旋进行包覆以赋予磁性，再用一层薄薄的二氧化硅玻璃覆盖以保护并提供多孔、稳定的表面。这样每根螺旋藻丝就变成了坚固的磁性尾部，在苛刻环境中仍保持螺旋形状，其长度和匝数可通过短时间超声处理将丝段切短来调节。

用于智能载货的双面“头”

为了将简单的磁性螺旋变成真正的微游动器，科学家们在尾部加入了由所谓Janus纳米颗粒构成的明显“头”——这些纳米球具有两种截然不同的表面。半面由聚己内酯（PCL）构成，这是一种可生物降解的塑料，偏好油性环境；另一半为壳聚糖，一种与水相容且对细胞友好的多糖材料。磁性氧化铁核位于这些聚合物壳内。通过精确控制化学修饰，团队在每个纳米颗粒的一侧引入了硅烷基团，使其能与二氧化硅包覆的螺旋藻尾部发生键合。利用聚合物膜作为软掩膜，他们确保只有螺旋的一端露出膜外并能与Janus颗粒结合。最终得到的不对称“头—尾”结构类似于微小的精子或一端带球的螺丝。

在磁场下的受控游动

当这些生物混合游动器置于旋转磁场中时，其富含铁的尾部和头部会试图与磁场对齐并开始旋转。由于尾部为螺旋状，这种旋转被转换为向前的螺旋推进运动——类似于船用螺旋桨推动水流。研究者系统比较了三种尺寸的游动器（对应不同的螺旋匝数）在水和模拟血液、血清的富蛋白液体中的表现。他们在显微镜下跟踪单个轨迹并计算平均速度及随时间扩散的范围。更长且匝数更多的螺旋始终移动更快、扩散更高效，在旋转磁场下于水中达到约65微米/秒的速度。在更稠密、更接近真实的流体中游动器速度降低，但多匝螺旋仍优于短或畸形的螺旋，表明螺旋长度与匝数是未来医学微型机器人的关键设计参数。

携带并释放抗癌药物

除了运动性能外，团队还测试了Janus“头”作为微型药物载体的能力。他们用化疗药物多柔比星对其进行装载，测量了可装载的药物量、药物的结合强度以及药物泄露的速度。颗粒能够携带可观比例的药物，并在略偏酸性的条件下（类似许多肿瘤周围的环境）较在正常血液pH下释放得更快。在黑色素瘤细胞培养试验中，无药物负载的游动器显示出低毒性，表明材料本身具有良好的生物相容性。然而，负载多柔比星后，它们能以剂量依赖的方式降低癌细胞活力，不过效果较游离药物温和，这与纳米颗粒基质中较缓慢、持续释放的行为一致。

从实验室概念走向未来疗法

对于非专业读者而言，这项工作的主要结论是：研究者构建了一个微小、可磁控的“递送卡车”，其车身来自藻类，车头是智能的双面纳米颗粒。他们证明了这些游动器能在接近现实的流体中高效移动、延长和增加卷曲程度可提升推进性能，并且能够以可控方式安全携带与释放常用抗癌药物。尽管这些实验尚在体外进行，尚未进入动物或人体试验，该平台仍为未来可能在体内导航、感知疾病并将治疗精确递送到病灶的医学微机器人提供了实用配方和清晰的设计原则。

引用: Jahani, M., Khoee, S. & Mirmasoumi, M. Fabrication of anisotropic magnetic helical microswimmers utilizing Spirulina platensis templates and their integration with Janus PCL/Chitosan nanoparticles. Sci Rep 16, 6426 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36118-9

关键词: 微游动器, 磁性微型机器人, 螺旋藻, 药物递送, 纳米颗粒