由内源性（如趋化性）或外源性（如超声波、磁场、电场）刺激驱动/引导的新一代遥控柔软智能微型机器人，通过为体内微创医疗操作创造独特机会，扩展了生物医学科学领域。微型机器人已经被用于小动物身上，例如治疗胃部感染或递送抗癌药物。这些微型机器人的特点是它们的推进机制，可以是化学的、物理的或生物混合的。特别是，由运动细胞或微生物驱动的微型机器人已被广泛使用，因为它们利用了生物部件的趋化性和细胞相互作用能力以及合成微部件的控制/操纵性和成像增强。在不同类型的运动微生物和细胞中，细菌和精子是提供治疗性货物的有希望的候选材料。这是由于它们非常有效的推进机制，鞭毛跳动，这使它们能够适应不同的微环境并在复杂的流体中游泳——甚至逆流。细菌已被用于趋向性靶向递送药物。精子（精子细胞）是构建生物杂交微型机器人的其他有希望的生物成分，因为它们天生就能够在复杂的流体和器官（如生殖系统中的流体和脏器）中游动，而不会产生有害的免疫反应。除了受精的天然功能外，精子细胞还表现出高药物包封能力和高药物携带稳定性，这使其适合于各种妇科保健应用。此外，它们的趋化性（趋向于向更高浓度的细胞外信号游动）、趋热性（倾向于向温度梯度游动），趋触性（趋向靠近表面游动）和流变性（逆流游动）为它们的运动控制提供了广泛的选择，使其成为微创手术的理想医疗工具。先前，德国德累斯顿工业大学Mariana Medina-Sánchez课题组首次使用精子细胞作为微型机器人系统的组成部分，特别是在开发新型体内辅助受精方法方面，在这种方法中，运动缺陷（弱精子症）或低计数（少精子症）的精子细胞可以由工程化的微型机器人辅助。为了向前迈出一步，该课题组使用非刺激响应聚合物（IPS 光刻胶）和热响应水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM），通过双光子聚合（TPP）制造 4D 打印精子微载体，以助于精子-卵母细胞相互作用，从而实现体内辅助受精的最终目标。
在刺激响应材料中，基于水凝胶的聚合物是通用的，因为它们可以在施加某些刺激（例如温度、盐浓度、pH）时发生可逆的溶解度转变。研究最充分的刺激响应水凝胶之一是 PNIPAM，它可以响应温度变化。它的热响应性是基于从低于其较低临界溶解温度（LCST）的温度下的溶胀亲水状态到高于其LCST温度的塌陷疏水状态的可逆相变。因此，研究人员在此使用PNIPAM为微载体配备柔软且智能的微门，用于触发肝素和活动精子细胞释放，以用于未来的体内辅助受精。此外，研究人员使用特定的纳米载体平台对微载体进行功能化，以局部介导卵母细胞-卵丘复合物中透明质酸 (HA) 的降解。因此，通过利用智能材料和新颖的微制造技术，研究人员在这里提出了一种多功能微载体，能够：i）运输和递送多个活动的精子细胞，以增加受精的机会，ii）通过肝素的局部释放原位获能/超活化精子细胞，iii）协助HA-卵丘复合体的降解，通过先前在微载体表面官能化的透明质酸酶聚合体(HYAL Psome)的局部作用。微载体还涂有金属层（Au），以通过双超声（US）/光声（PA）成像增强其可视化，这使其成为未来体内应用的潜在候选材料。
图|4D打印微载体的制造步骤
为了成功的受精过程，精子细胞必须克服不同的生物障碍才能最终到达卵母细胞。必须使精子细胞获能/超活化才能穿透卵母细胞透明带。超活化也可能促进精子细胞从输卵管储存库中释放。在这方面，肝素已广泛用于体外精子获能，当自然环境不可用时，肝素可诱导生化修饰，使精子细胞在暴露于透明带、卵丘复合体和其他与体外成熟卵母细胞相关的物质时发生顶体反应。因此，研究人员将肝素装入 PNIPAM 微门中，然后将它们浸入 TALP 溶液。此外，透明质酸酶 (HYAL) 是一种含透明质酸的精子顶体酶，通过参与卵丘细胞细胞外基质 (ECM) 的降解，在受精过程中发挥重要作用。在体外受精(IVF) 和胞浆内精子细胞注射 (ICSI) 中，HYAL 用于去除卵母细胞周围的卵丘细胞。于此，研究人员通过将 HYAL 添加到微载体上以帮助精子细胞消化卵丘细胞（受精的最后一道屏障）来解决由精子数量低引起的与不孕症相关的 HYAL 缺乏问题。为此，研究人员提出了一种基于聚合体 (Psomes) 的新型纳米载体平台，用于 HYAL 的后装载。Psomes 是基于两亲嵌段共聚物的自组装制备的，为它们提供了出色的机械和化学稳定性。此外，Psomes 的膜通透性可以由外部刺激（例如，pH、温度、氧化还原电位、光、磁场和超声波）触发。该平台能够将酶均匀地固定在微载体的表面上，同时保持它们的活性。研究结果发现，微载体有≈ 16 个可用于耦合精子细胞的空腔；然而，由于可能的尾跳干扰，研究人员在实验中观察到多达 10 个精子细胞的耦合。研究还表明，这种含有约 10 个精子细胞的微载体可以通过外部磁场以有针对性的方式引导，这在使用人工输卵管流体的受限微流体通道中得到了证明。本文成功地报告了设计的微载体捕获、运输和释放多个精子细胞。此外，微结构涂有金，可以使用光声成像进行初步的生物成像测试。尽管与先前报道的单精子载体相比取得了这些重要成就，但在将微载体应用于体内之前，仍有许多挑战需要解决。例如，这些微载体是使用牛精子设计和证明的。然而，为了进行动物试验，并且由于目前成像技术在时空分辨率和穿透深度方面的限制，小动物模型（例如，小鼠）更适合于建立该技术，因此，未来必须考虑使用小鼠样进行优化。此外，这种微载体与周围组织的相互作用仍有待研究。综上所述，本文通过构建4D打印多功能微载体来辅助精子数量非常低（也称为少精子症）时的精子细胞，以增加体内卵母细胞受精的机会。本文已经解决了几个挑战，即多个精子细胞的运输、它们在未来体内应用中的成像以及多种功能的添加（精子获能和卵丘细胞去除）。此外，本文报道的采用双光子光刻技术制造的4D打印多功能微载体不仅在微机器人辅助治疗和诊断领域，而且在芯片上应用领域提供了大量可能性。Rajabasadi, F., Moreno, S., Fichna, K., Aziz, A., Appelhans, D., Schmidt, O. G., Medina-Sánchez, M., Multifunctional 4D-Printed Sperm-Hybrid Microcarriers for Assisted Reproduction. Adv. Mater. 2022, 2204257.https://doi.org/10.1002/adma.202204257
