Роботизированные сперматозоиды

Первый тип, трубчатый спермбот, состоит из одного сперматозоида, который захватывается внутри микротрубки. Быкиные сперматозоиды входят в эти микротрубки и оказываются в ловушке внутри. Хвост сперматозоида обеспечивает движение микротрубки^[1].

Второй тип — спермбот-спираль, представляет собой небольшую спиралеобразную структуру, которая захватывает и транспортирует одиночные малоподвижные сперматозоиды. В этом случае вращающееся магнитное поле приводит спираль в движение, напоминающее вращение винта. Оба типа спермботов могут управляться с помощью слабых магнитных полей^[2]. Оба дизайна являются гибридными микроприборами, состоящими из живой клетки и синтетических компонентов. Также существуют подходы к созданию полностью синтетических микроприборов, вдохновлённых движением натуральных сперматозоидов — то есть биомиметическим дизайном. Примером служит так называемый Магнетосперм (англ. MagnetoSperm), выполненный из гибкой полимерной структуры с магнитным покрытием, приводимой в движение магнитным полем^[3].

Изначально микротрубки для трубчатых спермботов были получены с помощью технологии свёртывания наномембран на фоторезисте^[4]. В этом процессе нанотонкие слои титана и железа наносились на жертвенный слой. После удаления этого слоя наноплёнки сворачивались в микротрубки длиной 50 мкм и диаметром 5–8 мкм. В дальнейшем микротрубки стали изготавливать из температурочувствительного полимера для управляемого высвобождения сперматозоидов при незначительном изменении температуры^[5].

Сборка трубчатых спермботов осуществляется путём внесения большого количества микротрубок в разведённый образец спермы под микроскопом. Сперматозоиды случайно проникают в микротрубки и застревают в их слегка конической полости. Для повышения эффективности соединения между сперматозоидами и микротрубками последние функционализируют белками или сперматическими хемоаттрактантами. Это реализуется с применением тиоловой химии после свёртывания трубок или путём переноса молекул с помощью эластомерного штампа на материал до сворачивания трубок^[6].

Спиральные спермботы собираются путём проведения магнитной микроспирали над отдельным сперматозоидом, при этом хвост сперматозоида помещается внутрь просвета спирали, а головка выталкивается вперёд. Клетка соединена со спиралью слабо и может быть освобождена при смене направления вращения, — тогда спираль отходит от головки, а хвост освобождается. Такие микроспирали изготавливаются методом прямой лазерной литографии и покрываются никелем или железом для намагничивания^[2].

Роботизированная сперма может управляться с помощью внешних слабых магнитных полей в несколько миллитесла (мТл). Эти поля можно создавать как постоянными магнитами, так и специальными сборками из электромагнитов. Прилагаемое магнитное поле может быть однородным, вращающимся или градиентным^[7]. Трубчатые и спиральные спермботы также могут управляться по схеме замкнутого цикла с помощью электромагнитных катушек^[8].

Спермботы потенциально находят применение при манипуляциях с отдельными клетками, в ассоциированных репродуктивных технологиях, а также для прицельной доставки лекарств. Согласно недавним исследованиям, модифицированные трубчатые спермботы могут использоваться для доставки противоопухолевых препаратов^[9]. В этом случае сперматозоид загружается доксорубицином. Искусственная микроструктура, изготовленная методом двухфотонной нанолитографии, захватывает загруженный препаратом сперматозоид. Клетка служит приводом для магнитной микроструктуры и способна доставлять её к опухолевым сфероидам. В заданной точке загруженный лекарством сперматозоид освобождается с помощью пружинного механизма и переносит лекарство к раковым клеткам.

Роботизированная сперма, как микопловцы, представляет интерес для медицины, в частности, для новых методов вспомогательной репродукции и прицельной доставки терапевтических агентов. Эти микропловцы предназначены для работы в живых организмах, что в перспективе способно революционизировать технологии вспомогательной репродукции и наномедицину^[10]. Постоянно появляются новые конструкции и потенциальные сферы применения данного концепта^[10].