磁性微藻：微小的游泳者的使命是成为机器人

斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）的一组研究人员开发了一种覆盖有磁性材料的生物杂交微游泳者，其游泳能力在很大程度上不受涂层的影响。MPI-IS物理智能部的团队在《物质》杂志上发表了他们的研究成果

在自然界中，这种10微米小的单细胞微藻是出色的游泳者，由其前部的两个鞭状鞭毛推动。然而，尚不清楚如果科学家用一层薄薄的天然聚合物壳聚糖（为了良好的粘附性）和磁性纳米粒子混合在藻类上，会发生什么。这种微小的游泳者还能穿过狭窄的空间吗？如果这还不够具有挑战性，还能穿过密度与粘液相似的粘性液体吗

科学家们发现，他们的绿藻微型游泳者几乎不受额外负载的影响。藻类用它们的鞭毛进行蛙泳运动，像一颗飞驰的子弹一样向前弹射。尽管有涂层，它们在磁化后仍保持了游泳速度，平均游泳速度为每秒115微米（约每秒12个身体长度）。相比之下，像迈克尔·菲尔普斯这样的奥运游泳运动员可以达到每秒1.4个身体长度的速度。请注意，藻类只是一个没有腿和脚的细胞

共同领导这项研究的Birgül Akolpoglu和Saadet Fatma Baltaci是MPI-IS物理智能部的科学家。几年前，他们研究了如何在药物输送应用的流体空间中磁性控制基于细菌的微游泳者。现在他们把注意力转向了微藻。他们的目标是用磁性材料对单细胞生物的表面进行功能化，以便它们可以被引导到任何所需的方向——将微藻变成微型机器人

涂覆细胞只需要几分钟，最终十分之九的藻类成功地被磁性纳米粒子覆盖。该团队首先测试了他们的生物混合机器人在薄如水的液体中游泳。利用外部磁场，他们能够控制微藻游动的方向

然后，研究人员沿着微型3D打印圆柱体引导他们的机器人，创造了一个高度封闭的环境，其中最大的尺寸只有微小微藻的三倍。为了验证转向是否成功，研究小组建立了两个不同的系统：一个带有磁性线圈，另一个在显微镜周围装有永磁体。他们创造了一个均匀的磁场，并反复改变其方向

该出版物的共同第一作者Akolpoglu在谈到他们的概念验证研究时说：“我们发现微藻生物杂交体以三种方式在3D打印的微通道中导航：回溯、交叉和磁性交叉。如果没有磁性引导，藻类经常会被卡住并回溯到起点。但有了磁性控制，它们移动得更平稳，避开了边界。”

“磁性引导帮助生物杂交体与磁场方向对齐，显示出在密闭空间中导航的真正潜力——有点像给它们一个微型GPS。”

下一步，研究小组增加了流体的粘度，并再次将他们的微型机器人送过狭窄的通道

“我们想测试我们的游泳者在类似粘液的环境中的表现。我们发现粘度会影响微藻生物杂交体的游泳方式。更高的粘度会减缓它们的速度，改变它们前进的方式。当我们施加磁场时，游泳者会振荡，以之字形前进。这突显了微调粘度和磁性排列如何优化微型机器人在复杂环境中的导航，”Baltaci补充道

“我们的愿景是在高度封闭的复杂和小型环境中使用微型机器人，例如在我们的组织中发现的环境。我们的研究结果为靶向药物输送等应用打开了大门，为医疗提供了一种生物相容性解决方案，为生物医学及其他领域的未来创新提供了令人兴奋的潜力，”该团队总结道 More information: Mukrime Birgul Akolpoglu et al, Navigating microalgal biohybrids through confinements with magnetic guidance, Matter (2025). DOI: 10.1016/j.matt.2025.102052

Journal information: Matter