تاريخ الاستلام: 1 يونيو 2023
تاريخ القبول: 8 مايو 2024
تاريخ النشر على الإنترنت: 21 مايو 2024

الروبوتات الدقيقة هي آلات بأبعاد دون المليمتر قادرة على الحركة بشكل مستقل لأداء مهام محددة في مساحات محصورة مجهرية , مثل قنوات الميكروفلويديك، والشرائح الحيوية، وحتى الأوعية الدموية للكائنات الحية. في العقد الماضي، تم الإبلاغ عن روبوتات دقيقة لإثبات المفهوم لتوصيل الأدوية أو الجينات , وتنظيف الملوثات , وتطبيقات الاستشعار ومع ذلك، يجب تحسين قدرات التوجيه والحركة للروبوتات الدقيقة، وخاصة
سرعة حركتها والانجراف الجانبي , لتلبية متطلبات الموثوقية وقابلية التحكم لاستخدامها العملي.

تتمتع العديد من الروبوتات الدقيقة بتكوين حلزوني لأن هذا التكوين يمكن أن يدعم كل من الدفع الذاتي (مثل الدفع الكيميائي ) والدفع المعتمد على التحفيز الخارجي عندما يأتي التحفيز من مجال مغناطيسي , أو مجال بصري , أو مجال صوتي . تم تطوير عدة طرق معالجة بما في ذلك ثلاثية-

الطباعة الحجرية المباشرة بالليزر , ترسيب بزاوية مائلة , قالب حيوي , تآكل بالليزر , وطي قائم على الطي الذاتي لإنشاء هياكل دقيقة حلزونية مصنوعة من المواد الحساسة للضوء، أو الهلامات المائية، أو المعادن لتصنيع الروبوتات الدقيقة. تحد من إنتاجية هذه الطرق المنخفضة نسبيًا قابلية توسيع الروبوتات الدقيقة؛ لذلك، فإن هذه الروبوتات الدقيقة مكلفة نسبيًا. علاوة على ذلك، نظرًا لأن المواد المستخدمة في تصنيع الروبوتات الدقيقة أكثر كثافة بكثير من السوائل التي تعمل فيها هذه الأجهزة، قد تغمر الروبوتات الدقيقة تدريجيًا أثناء الحركة، مما يؤدي إلى انجراف كبير للأجهزة عن مسارها المرغوب وتقليل السرعة . وفقًا لذلك، هناك حاجة إلى وحدات تحكم إضافية لتعويض آثار الجاذبية، وتزيد هذه الوحدات من تعقيد وسعر نظام الروبوتات الدقيقة بالكامل.

طورنا عملية غير تقليدية لتحفيز الجرافين بالليزر (LIG) تتيح تصنيع الروبوتات الدقيقة بسرعة عالية وبقدرات توجيه شبه خالية من الانجراف. من خلال تشكيل الشعاع وتفكيكه، يتم إنشاء نقاط ليزر مثلثية ومحاذاة على طول اتجاه مسح الليزر لإنشاء ملف تعريف كثافة مائل للمعالجة المحلية؛ عندما يتم استخدام مثل هذا النمط الضوئي لتحويل منطقة سطح البوليمر إلى جرافين، يتم تحفيز تدفقات غاز غير متساوية، وبالتالي تكون القوى عند حواف مختلفة من ورقة الجرافين غير متوازنة، مما يتسبب في التواء الورقة إلى تكوين حلزوني أثناء تقشيرها من الركيزة البوليمرية. والأهم من ذلك، أن الطبيعة الخفيفة للجرافين بالتزامن مع الهيكل الدقيق المسامي الذي تم إنشاؤه بواسطة عملية الليزر ينتج عنه هيكل للروبوت الدقيق بكثافة منخفضة وخصائص عالية من الكارهية للماء على السطح؛ وبالتالي، فإن الروبوتات الدقيقة الناتجة تدفع نفسها بينما تكون معلقة بالكامل بدلاً من أن تظهر حركة على الأرض. في هذه الدراسة، وُجد أن الروبوتات الدقيقة الحلزونية المعتمدة على الجرافين (GH) المدفوعة مغناطيسيًا تظهر تقريبًا عدم انجراف جانبي بينما تحقق سرعة سباحة عالية تبلغ 2.64 طول جسم في الثانية (سرعة أمامية تبلغ 3109 . من خلال تغيير ظروف معالجة الليزر بشكل منهجي، أظهرنا أن طريقة التصنيع لدينا تقدم إنتاجية عالية (77 هيكل روبوت دقيق في الثانية) وهي متعددة الاستخدامات؛ يمكن ضبط معلمات هندسية مختلفة للروبوت الدقيق، بما في ذلك طول جسمه، وعرض ورقته، واللولبية، والقطر، والزاوية، والارتفاع للهيكل الحلزوني. أخيرًا، استخدمنا توصيل الأدوية العلاجية لعلاج سرطان المعدة كمثال لتوضيح
مزايا الروبوتات الدقيقة GH المطورة للحركة لمسافات طويلة ونقل الأدوية في بيئة فسيولوجية.

لضمان أن تكون روبوتاتنا الدقيقة خفيفة، وبالتالي تحقيق التوازن المطلوب بين الجاذبية والطفو للدفع الدقيق (انظر المعلومات التكميلية لمناقشة مفصلة)، قمنا بتصميم وتصنيع روبوت دقيق GH مسامي. تم تطوير نظام ليزر فوق بنفسجي (UV) مع جلفانومتر مسح ذو حقل مسطح لإنشاء صفائح جرافين حلزونية من ركيزة بوليميد (PI)؛ يتم عرض مخطط المعدات في الشكل 1a. كان الجلفانومتر المسح ذو الحقل المسطح نظام مسح ثنائي المحاور يقوم بانحراف شعاع الليزر في اتجاه X و Y لتشكيل منطقة مسح ثنائية الأبعاد، والتي تم تعريفها كطائرة العمل لليزر. تم وضع مجموعة من عدسات التركيز تحت الجلفانومتر ومحاذاتها على طول محورها البصري لتشكيل الشعاع. في إعداد شائع الاستخدام، يتم تركيز شعاع الليزر المنحرف إلى نقطة دائرية على طائرة العمل، كما هو موضح في الشكل التكميلية Sla. ومع ذلك، في منصة التصنيع لدينا، قمنا عن عمد بإمالة واحدة من العدسات لتحويل شعاع الليزر بعيدًا عن سطح التركيز الأصلي؛ أدى هذا التحويل إلى تشويه غير متماثل لنقطة الليزر على طائرة العمل. من خلال ضبط المسافة بين طائرة العمل وطائرة التركيز (أي، مسافة التفكيك) بشكل مناسب، حصلنا على نقطة ليزر بشكل مثلث على طائرة العمل، كما هو موضح في الشكل 1a والشكل التكميلية S1b. تم التحقق تجريبيًا من الهندسات المتوقعة لنقاط الليزر تحت ظروف طبيعية ومشوهة من خلال الحصول على صور مجهرية إلكترونية مسح (SEM) لنقاط الليزر التي تم إنشاؤها على ركيزة (الشكل 1b، c). على الرغم من أن طريقة التفكيك كانت نهجًا مريحًا لتحقيق نقطة ليزر مثلثية، إلا أن هناك حدًا على مسافة التفكيك (عادة 10 مم)؛ بعد مسافة 10 مم، تدهور عامل جودة شعاع نقطة الليزر بشكل كبير، مما جعل الليزر غير قادر على المعالجة الموثوقة والفعالة . تم الاستفادة من نقطة الليزر مثلثية لإنتاج صفائح جرافين مسامية وحلزونية من فيلم رقيق من PI. تم اختيار PI كمادة ابتدائية لأنها تحتوي على الكربون بالإضافة إلى الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين. وبالتالي، أثناء تشكيل LIG، تم تحفيز أنواع غازية مختلفة، مثل

, و , و , كانت

الشكل 1 | تصميم وعملية إنتاج صفائح LIG الحلزونية المسامية. أ تعديل لإنشاء نقاط ليزر بأشكال مختلفة على مسافات مختلفة من طائرة التركيز. نقطة ليزر على شكل مثلث مدور على التفكيك
طائرة. بقعة ليزر دائرية على مستوى التركيز. مخطط تصنيع ورقة LIG حلزونية باستخدام بقعة الليزر على مستوى عدم التركيز.

الشكل 2 | معالجة وتوصيف أوراق LIG الحلزونية المسامية. أ صور كاميرا عالية السرعة لتكوين أوراق LIG الحلزونية المسامية. صورة SEM لورقة LIG حلزونية. ج المقطع العرضي المسامي لورقة LIG الحلزونية و شبيه بالشجرة
الألياف في السطح السفلي للورقة. تم معالجة أوراق LIG الحلزونية المسامية اليمنى واليسرى من خلال اختيار اتجاهات مسح ليزر مختلفة. تم تكرار هذه التجارب لأكثر من 10 دفعات مختلفة وأسفرت عن نتائج مماثلة.
الذي أدى إلى إنشاء عدد كبير من الميكروثقوب والنانوثقوب زيادة قوة الليزر سرعت إنتاج وإطلاق الغازات المذكورة أعلاه وبالتالي عززت المسامية لـ عندما تجاوزت قوة الليزر لقد تجاوز معدل إنتاج الغاز بشكل كبير معدل إطلاق الغاز، مما أدى إلى تراكم كمية كبيرة من الغاز التي أدت في النهاية إلى كسر الاتصال الضعيف بين ورقة LIG العلوية وركيزة PI. يعني هذا الانفصال أن ورقة LIG قد تقشرت عن ركيزة PI. تم تأكيد تشكيل مرحلة الجرافين من خلال مطيافية رامان (الشكل التكميلي S2a). نظرًا لأن إنتاج الغاز تم تحفيزه بواسطة الليزر، فإن هندسة بقعة الليزر أثرت على التكوين النهائي لورقة LIG. على سبيل المثال، عندما كانت بقعة الليزر مثلثية غير متناسقة على طول اتجاه مسح الليزر – على سبيل المثال، عندما كان اتجاه مسح الليزر متماشيًا مع أحد حواف المثلث (مثل الحافة III في الشكل 1b) – تم تشكيل كمية أكبر بكثير من الغاز عند الحافة السفلية لورقة LIG مقارنةً بحافتها العلوية بسبب التعرض الأكثر كثافة لليزر عند الحافة السفلية. أدى هذا التكوين غير المتساوي للغاز إلى خلق قوة عزم أدت إلى تشويه ولف ورقة LIG. عندما استمرت قوة العزم في التكون على طول خط المسح، تحولت الورقة إلى حلزون، كما هو موضح في الشكل 1d. على النقيض من ذلك، عندما كانت بقعة الليزر دائرية، كان تكوين الغاز على طول خط المسح متساويًا، مما أدى إلى انحناء ورقة LIG (الشكل التكميلي S3).

عملية تحويل PI إلى LIG أنشأت بنية ميكروية في أوراق LIG التي ساعدت في تطبيق الأوراق كدعامة لميلروبوت. أولاً، أدى إنتاج الغاز عالي التدفق أثناء عملية الجرافنة إلى إنشاء مسام دقيقة ونانومترية وفيرة في جميع أنحاء الأوراق، كما يتضح من صورة SEM المقطعية المعروضة في الشكل 2c. لم تؤدي هذه المسامية العالية فقط إلى جعل الأوراق أقل كثافة مما كانت عليه بدون المسام، بل جعلت أيضًا سطحها غير قابل للماء. على سبيل المثال، تم اكتشاف أن ورقة LIG المعالجة بالليزر تعدل زاوية الاتصال ضمن النطاق من عن طريق ضبط مستويات طاقة الليزر (الشكل التكميلي S2b، S2c). علاوة على ذلك، فإن التواء وتقشير ورقة LIG من الركيزة أدى إلى تمدد البنية الدقيقة على السطح السفلي للورقة، مما ترك وراءه ألياف شبيهة بالأشجار (الشكل 2d). مسارات لتفريغ الشعيرات الدموية تكونت بين الألياف، وهذه المسارات زادت من كره الماء لصفائح LIG الحلزونية. بشكل عام، يسمح الميكروهيكل الكاره للماء بالاحتفاظ بكفاءة بالهواء داخل المسام عندما تكون LIG الحلزونية.
تكون الورقة مغمورة في سائل، مما يمنح الهواء المحبوس فيها طفوًا ملائمًا للورقة؛ علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي خاصية الكارهية للماء لسطح الملي روبوت إلى زيادة تردد الخروج وسرعة السباحة. .

من المهم أن عملية تصنيع أوراق LIG الحلزونية كانت سريعة ومتحكم بها بشكل جيد. كما هو موضح في الشكل 2a، استغرق الأمر حوالي 100 مللي ثانية فقط لإنتاج ورقة LIG حلزونية بطول 12 مم (الفيديو التكميلي 1)؛ وبالتالي يمكن تصنيع 77 هيكل جرافين حلزوني بطول نموذجي يبلغ 1.5 مم في غضون 1 ثانية فقط. يمكن ضبط اللولبية للهيكل الحلزوني لتكون يمنى أو يسارية من خلال اختيار اتجاه مسح الليزر (الشكل 2e والأشكال التكملية S4 و S5). بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحكم بدقة في المعلمات الهندسية لأوراق LIG الحلزونية – بما في ذلك عرضها، وقطر اللولب، والخطوة، وطول الجسم – من خلال تعديل قوة الليزر وظروف المسح. كان أصغر ميلي روبوت تم تصنيعه في هذه الدراسة له عرض ورقة، وقطر لولب، وخطوة لولب تبلغ تقريباً ، و ، على التوالي (وبالتالي، فإن الحد الأدنى لطول الملي روبوت الذي يحتوي على لولب كامل واحد تقريبًا هو 1 مم). عند الأحجام الأكبر من هذه الأحجام الدنيا، يمكن ضبط أبعاد الملي روبوتات عن طريق تغيير حجم بقعة الليزر، وسرعة المسح، وطول المسح، مع كون دقة الضبط لعرض الورقة، وقطر اللولب، والملعب، والطول هي ، و ، على التوالي (انظر الأشكال التكميلية S5 و S6 والنقاشات المقابلة للحصول على التفاصيل). يمكن ضبط كثافة وخصائص رطوبة السطح لأوراق LIG الحلزونية عن طريق تعديل قوة الليزر وسرعة المسح. لذلك، يمكن تحديد خصائص التعليق والحركة للروبوتات الصغيرة في مرحلة التصنيع.

لإنشاء روبوتات ميلي غرافية قابلة للتحكم بواسطة المجال المغناطيسي من أوراق LIG الحلزونية المصنعة، قمنا برش طبقة رقيقة من النيكل على الأوراق ثم أجرينا معالجة مغنطة قياسية على طول الاتجاه الشعاعي للحلزونة. أظهرت نتائج تصوير SEM ورسم خرائط الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) (الأشكال التكميلية S7 و S8) أن النيكل كان موزعًا بشكل رئيسي على سطح أوراق LIG وأن الخصائص الخفيفة والمسامية لأوراق LIG الكتلية قد تم الاحتفاظ بها. تضمنت معالجة روبوتات GH الميلي تطبيق مجال مغناطيسي دوار. تم توليدها بواسطة ملف هيلمهولتز ثلاثي الأبعاد (الشكل التكميلي S9). أنتج هذا المجال عزم دوران بتردد دوراني على GH

الشكل 3 | مخطط لروبوتات الميلي غرام GH بحالات وخصائص مختلفة عند التعليق. أ مخطط لروبوت الميلي غرام GH عالي الكثافة، مثل الموجود على الأرض. عزم الدوران تم إنتاج هذا الروبوت الملي ميلي GH باستخدام مجال مغناطيسي دوار قوي بشكل موحد تحت تردد دوران . مخطط زمني لحركة الروبوت الميلي الصغير عالي الكثافة (روبوت ميلي صغير على الأرض). مقياس الرسم: 5 مم. ج سرعة الروبوتات الميلي الصغيرة منخفضة الكثافة ذات أقطار الحلزونات من ، 349 ، و بترددات دورانية مختلفة. العملية المستخدمة للحصول على
منحنى التنبؤ موضح في الملاحظة التكميلية S1. د مخطط للروبوت المليلي منخفض الكثافة المعلق بالكامل. هـ مخطط زمني لحركة الروبوت المليلي منخفض الكثافة (الروبوت المليلي المعلق). مقياس الرسم: 5 مم.
مقارنة بين سرعة السباحة [الوحدة: أطوال الجسم في الثانية (BL/s)] ونسبة الانجراف للروبوتات الميليروبية الحلزونية المدفوعة مغناطيسيًا التفاصيل موضحة في الجدول التكميلي S1.
الميلي روبوتات؛ العزم الذي بدأ دورانها، وتم تحويل حركة التكوين الحلزوني إلى دفع انتقالي. من خلال تغيير اتجاه الدوران ودرجة قوة المجال المغناطيسي، يمكن توجيه الميلي روبوتات GH بشكل اتجاهي. ما لم يُذكر خلاف ذلك، تم قياس حركة الميلي روبوتات GH تحت مجال مغناطيسي بقوة 12 مللي تسلا.

قمنا أولاً بدراسة تأثير كثافة الروبوتات الميكروية GH المصنعة على دقة مسارها. من خلال ضبط معلمات معالجة الليزر، قمنا بتصنيع نوعين من الروبوتات الميكروية GH: كثافة عالية ( ) ميلي روبوت، الذي غمر بسرعة في بيئة سائلة وأظهر حركة تقليدية مشابهة للحركة على الأرض (الشكل 3أ، تفاصيل المعالجة موضحة في الشكل التكميلي S10)، وكثافة منخفضة ( ) الميلي روبوت، الذي كان معلقًا بالكامل في بيئة سائلة أثناء الدفع (الشكل 3د). ومن الجدير بالذكر أن الميلي روبوت GH ذو الكثافة المنخفضة هو أخف ميلي روبوت يتم تشغيله مغناطيسيًا تم الإبلاغ عنه حتى الآن. كما هو موضح في الشكل 3ب، هـ، كان من المتوقع أن يكمل كلا الميلي روبوتين مسارًا خطيًا بطول 20 مم على طول المحور y بينما يتم دفعهما بواسطة نفس المجال المغناطيسي الدوار. ومع ذلك، أظهر الميلي روبوت ذو الكثافة العالية انحرافًا جانبيًا ملحوظًا (أي، انحراف على طول المحور x) أثناء الدفع (الفيديو التكميلي 2). وبالتالي، انحرف المسار النهائي لهذا الميلي روبوت عن المسار المستهدف بمقدار انحراف جانبي بقطر 17 مم؛ الشكل 3ب). بالمقابل، أظهر الميلي روبوت ذو الكثافة المنخفضة انحرافًا جانبيًا يكاد يكون صفرًا (الشكل 3هـ)، مما يدل على قدرة ملحوظة في تتبع المسارات المحددة. تتمتع أوراق LIG الحلزونية ذات التدوير المختلف بنفس خصائص المواد والهيكل المجهري. وبناءً عليه، فإن الميلي روبوتات المصنوعة من أوراق LIG الحلزونية ذات التدوير المختلف لها نفس الكثافة ولكنها تدور في اتجاهات متعاكسة تحت نفس المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى حركتها في اتجاهات متعاكسة، كما هو موضح في الشكل التكميلي S11 والفيديو التكميلي 3.

بعد ذلك، قمنا بتقييم خصائص الحركة للروبوتات الميليومترية المصنوعة. كانت الترددات الدورانية المطبقة
كان المجال المغناطيسي قابلاً للمقارنة مع تلك الخاصة بالروبوتات الصغيرة المدفوعة بالمجال المغناطيسي الأخرى. تحت تردد دوران مرتفع يبلغ 24 هرتز، حقق أخف روبوت حلزوني GH سرعة أمامية عالية من ، والتي كانت تعادل تقريبًا 2.64 طول جسم في الثانية (1 طول جسم )، في الماء المنزوع الأيونات. من أجل مقارنة عادلة لسرعات الدفع بين الروبوتات الصغيرة المختلفة، نقوم بحساب سرعة السباحة ، يُعرَّف بأنه عدد أطوال الجسم التي تم التقدم بها في الثانية، لروبوتاتنا الصغيرة، وقارن القيمة بتلك المبلغ عنها في الأدبيات كما هو موضح في الشكل 3f، أظهر أخف روبوت ميلي غرافين سرعة سباحة عالية تبلغ 1.43 طول جسم في الثانية عندما كانت التردد الدوراني 10 هرتز (وهو الشرط الأكثر استخدامًا في دراسات أخرى) ونسبة انحراف قريبة من الصفر (نسبة الانحراف الجانبي إلى المسافة الأمامية)، انظر الجدول التكميلي S1 لمناقشة مفصلة.

بالإضافة إلى ذلك، يجدر بالذكر أن خصائص السرعة لروبوتاتنا الميلي روبوت GH بأبعاد لولبية مختلفة يمكن التنبؤ بها بشكل إيجابي باستخدام نموذج ديناميكي بارامتري، كما هو موضح في الشكل 3c. تم تقديم وصف مفصل لهذا النموذج في الملاحظة التكميلية S1. تضمن الدقة في توقع النموذج عملية تصميم فعالة للتنفيذ.

لإظهار التطبيقات المحتملة لروبوتات الميلي غرام GH، اخترنا تطبيق توصيل الأدوية العلاجية لأن التحكم الدقيق وغير التلامسي في حركة الروبوت الميلي غرام أمر حاسم في البيئات المحتوية على السوائل ذات الأشكال المعقدة. توضح الشكل 4 عملية توصيل الأدوية العلاجية في سيناريو التطبيق المقترح. للتحقق من قدرة روبوتات الميلي غرام GH المصنعة على إجراء توصيل الأدوية العلاجية، قمنا بإجراء تحكم حي لروبوت ميلي غرام GH في معدة جرذ. تم التحكم في روبوت الميلي غرام GH باستخدام مجال مغناطيسي دوار بقوة 12 مللي تسلا (أقل بكثير من مستوى الأمان بالنسبة للتعرض البشري). )، تم تصويره في

في الوقت الحقيقي باستخدام جهاز تصوير الأوعية الرقمية بالطرح (DSA). لضمان التعرف والتتبع الواضح، كان يجب أن يكون مسار حركة الميلي روبوت GH طويلاً بما فيه الكفاية لنظام التصوير (الذي كان لديه دقة لذلك، تم اختيار الجرذ بسبب حجم معدته المناسب. أظهرت نتائج التلاعب، التي تم عرضها في الشكل 5a والفيديو التكميلي 4، أن التلاعب قاد بنجاح الروبوت الميلي GH إلى أهداف مختلفة في معدة الجرذ. علاوة على ذلك، أظهر الروبوت الميلي GH قدرته على تنفيذ حركات مستهدفة داخل المثانة المملوءة بالبول الاصطناعي في سيناريوهين (التفاصيل موضحة في الملحق S12 والفيديو التكميلي 5). خلال هذه المناورات، حافظ الميكرو روبوت بفعالية على مسافة آمنة من السطح المخاطي لجدار المثانة، مما يتجنب التدخل المحتمل من الهياكل السطحية – وهي تحدٍ شائع يواجه تشغيل الروبوتات الميلي التي تلامس الجدار. ومن الأهمية بمكان، أن هذا التجنب للاتصال بالجدار يضمن حماية الخلايا غير السرطانية من التعرض للأدوية أثناء النقل. تؤكد هذه العروض على مزايا الروبوتات الميلي GH في تنفيذ الحركة المطولة وتسهيل نقل الأدوية داخل بيئة فسيولوجية.

بعد ذلك، قمنا بفحص قدرات تحميل الدواء وإطلاقه من الروبوتات المليوية GH. دوكسوروبيسين هيدروكلوريد (DOX-HCl)، وهو دواء مضاد للسرطان يُستخدم على نطاق واسع وله بنية جزيئية عطرية. تم اختيارها كدواء اختبار بسبب قدرتها على الارتباط بسهولة مع الروبوتات النانوية GH من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية، والتفاعلات الكارهة للماء شمل عملية التحميل غمر الروبوتات الميلي في محلول DOX- HCl لفترة معينة، وبعد ذلك تم شطف الروبوتات الميلي بالماء المنزوع الأيونات (انظر قسم الطرق للحصول على التفاصيل؛ الشكل 4I). كشفت صور المجهر الضوئي الماسح بالليزر عن بقع حمراء متألقة على الروبوتات الميلي (الشكل 5b)، مما أكد أن جزيئات DOX- HCl قد ارتبطت بنجاح بمختلف أجزاء الأجهزة.

لتحفيز عملية إطلاق الدواء، استخدمنا إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) كمنبه لأنه لا يتطلب تلامسًا، ويوفر عمق اختراق كافٍ، ويتسبب في أضرار قليلة للأعضاء. كما هو موضح في الشكل 5d، تم إطلاق DOX-HCl بسرعة خلال 10 دقائق عند تعرضه لأشعة NIR. قمنا بتقييم كمية الدواء المفرج عنها بشكل كمي من خلال إجراء قياس الطيف الضوئي (منحنى المعايرة موضح في الشكل 5c). تشير النتائج إلى أن حوالي تم إطلاق DOX- HCl من كل DOX- الميلي روبوت خلال 5 دقائق من إشعاع NIR. أدى الإشعاع المطول لـ NIR لأكثر من 10 دقائق إلى انخفاض سريع في إطلاق الدواء، على الأرجح بسبب DOX-HCl.
الاضطراب الناتج عن درجات الحرارة العالية المرتبطة بأوقات الإشعاع الممتدة. علاوة على ذلك، كانت كمية الدواء التي أطلقها كل ميلي روبوت GH تقريبًا متساوية بين الدفعات، كما هو موضح في الملاحظة التكميلية S2. .

أخيرًا، قمنا بتقييم سلامة وفعالية توصيل الأدوية بواسطة الميلي روبوتات GH باستخدام نموذج الفئران. لم يكن نموذج الجرذان قابلاً للتطبيق بسبب نقص المناعة لدى الجرذان لبناء نموذج الورم. تم اختيار فئران BALB/c العارية، وهو نموذج حيواني معتمد على نطاق واسع، وتم اختيار سرطان المعدة كنموذج للمرض لأن الطريقة المستخدمة لبناء نموذج زراعة ورم في الفئران ناضجة تقنيًا. أولاً، أجرينا فحوصات السلامة على الفئران الصحية ووجدنا أن الفئران حافظت على وزن جسم ثابت حتى عندما تلقت العديد من ميلي روبوتات GH عن طريق التغذية القسرية. كانت أوزان أعضائها الداخلية متطابقة تقريبًا مع تلك الخاصة بمجموعة التحكم (بدون تحميل ميلي روبوت GH، الشكل التوضيحي التكميلي S13؛ الأدلة من تحليلات كيميائية حيوية أخرى معروضة في الأشكال التوضيحية التكملية S14 وS15)؛ هذه النتيجة تشير إلى أن ميلي روبوتات GH المصنعة قد تعمل كحاملات أدوية آمنة. بعد ذلك، تم علاج المجموعات الثلاث التالية من الفئران المصابة بسرطان المعدة: المجموعة الأولى، التي تم علاجها باستخدام ميلي روبوتات GH الأصلية (أي، غير محملة بدواء وغير معرضة للإشعاع NIR)؛ المجموعة الثانية، التي تم علاجها باستخدام ميلي روبوتات GH المحملة بـ DOX-HCl ولكن غير معرضة للإشعاع NIR؛ والمجموعة الثالثة، التي تم علاجها باستخدام ميلي روبوتات DOX-HCl@GH والمعرضة للإشعاع NIR. استمرت العلاجات لمدة 14 يومًا. كما هو موضح في الشكل التوضيحي التكميلي S16b، ظلت أوزان أجسام الفئران في المجموعات الثلاث متشابهة (مع أقل من الانحراف) في مراحل مختلفة من العلاج (كان الانخفاض العام في أوزان الفئران ناتجًا عن الأورام). علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الدموية الروتينية أن جميع المؤشرات الدموية للفئران كانت طبيعية بعد العلاجات (الشكل التوضيحي S17). هذه النتائج مجتمعة تُظهر سلامة العلاج من الناحية العلاجية. في الوقت نفسه، تم التحقق من فعالية العلاج من خلال الوزن الأصغر بشكل ملحوظ للأورام في الفئران من المجموعة (iii)، مقارنة بالمجموعتين (i) و (ii)، كما هو موضح في الشكل 5e والشكل التوضيحي S16a. وبالتالي، كان للروبوتات الدقيقة المحملة بـ DOX-HCl المعرضة للإشعاع NIR تأثير مثبط فعال على أورام الفئران. تم إخضاع عينات الأورام المأخوذة من الخزعة للتلوين المناعي الكيميائي (IHC) (مع كاسبيز-3، الذي يظهر باللون البني) والتلوين العام بالهيماتوكسيلين-إيوزين (H&E) للتحقق من كفاءة العلاج. كما هو موضح في الشكل 5f، مقارنةً بالعينات من المجموعات الأخرى، أظهرت عينات المجموعة iii مناطق بنية أكثر وضوحًا وكبرًا في

الشكل 5 | توصيل الدواء وإطلاقه بواسطة الروبوتات الدقيقة GH. أ حركة روبوت دقيق GH في معدة الجرذ، حيث تم التحكم في الروبوت الدقيق بواسطة حقل مغناطيسي دوار بقوة 12 مللي تسلا. ب صورة فلورية تم الحصول عليها تحت مجهر ليزر مسح ضوئي محوري لروبوت دقيق GH محمّل بـ DOX-HCl. تم تكرار التجربة لثلاث دفعات مختلفة وأسفرت عن نتائج مشابهة. ج شدة الفلورة لمحلولات DOX-HCl بتركيزات مختلفة ( ، و تم قياس شدة الفلورية باستخدام مطياف الفلورية، وتم ملاءمة تركيزات الدواء المحرر من خلال الانحدار الخطي. وحدات عشوائية. تركيز DOX-HCl المحرر تحت الأشعة تحت الحمراء القريبة.
إشعاع في 2 مل من الماء المنزوع الأيونات. تم ملاءمة المنحنيات باستخدام معادلة غاوسية تربيعية. تم بدء عد الفلورية بعد 30 ثانية من بدء إطلاق DOX عند النقطة الزمنية 0. ثم تم أخذ القياسات على فترات زمنية قدرها 1 دقيقة، 5 دقائق، ومن ثم كل 5 دقائق بعد ذلك. يوفر الشكل المصغر عرضًا مكبرًا لفترة الدقيقتين الأوليين. حجم الورم المعدي في ثلاث مجموعات من الفئران. “DOX-HCl@GH-Millirobot” تشير إلى GH-Millirobot المحملة بـ DOX-HCl، ( / مجموعة). تُعرض البيانات كالمتوسطات س.م. صور خزعة ورم المعدة التي تم الحصول عليها تحت صبغة IHC مع الكاسبيز الفسفوري (بني) وتحت صبغة H&E لمجموعات الفئران الثلاث. مقياس الرسم: .

تشير صور IHC والمناطق الفارغة الأكبر في صور H&E إلى وجود موت خلايا الورم بشكل أكثر اتساعًا، مما يدل على أن العلاج كان فعالًا. في الختام، تشير النتائج الشاملة المذكورة أعلاه إلى أن الروبوتات الدقيقة من نوع GH التي تحمل DOX-HCl والتي سيتم إطلاقها عند تعرضها للإشعاع NIR كانت فعالة وآمنة لعلاج الأورام في الفئران. من الجدير بالذكر أن الروبوتات الدقيقة تظهر فعالية ضمن نموذج سرطان المعدة بسبب البيئة السائلة المؤقتة التي يمكن أن تخلقها المعدة بعد تناول الماء.

ومع ذلك، قد تجد هذه الروبوتات الدقيقة ملاءمة محسّنة لعلاج الأمراض داخل الأعضاء مثل المثانة، التي تتميز ببيئات سائلة مستمرة.

في هذه الدراسة، أظهرنا التصنيع عالي الإنتاجية للروبوتات المليوية المسامية من GH من خلال إجراء مسح خطي بنقاط ليزر مثلثية لتحويل PI إلى جرافين. لم تكن هذه الطريقة في المعالجة
لا يؤدي فقط إلى التواء وتقشير أوراق LIG بشكل عفوي من ركيزة PI، بل يوفر أيضًا للأوراق هيكلًا مساميًا عاليًا. وبالتالي، يتم إنشاء هياكل ميلي روبوت ذات كثافة منخفضة وخصائص طاردة للماء عالية السطح، وتظل الميلي روبوتات الناتجة معلقة بالكامل عند دفعها مغناطيسيًا. تظهر الميلي روبوتات المطلية بالنيكل سرعة حركة مثيرة للإعجاب وقدرة ممتازة على تتبع المسارات المبرمجة، مع انحراف يكاد يكون صفرًا. من خلال تغيير ظروف معالجة الليزر بشكل منهجي، أظهرنا أن طريقة التصنيع المعتمدة توفر إنتاجية عالية (77 هيكل ميلي روبوت في الثانية) وهي قابلة للتحكم ومرنة للغاية؛ يمكن ضبط معلمات هندسية مختلفة مرتبطة بخصائص حركة الميلي روبوتات باستخدام نموذج برامترية. بشكل خاص، فإن الجمع بين سرعة الإنتاج العالية وانخفاض تكلفة المواد الخام يجعل من الممكن الحفاظ على تكلفة كل جهاز ميلي روبوت أقل من سنت واحد: 0.01 دولار أمريكي (ملاحظة إضافية S3). لقد تحققنا من مزايا ميلي روبوتات GH في سياق الحركة لمسافات طويلة وتوصيل الأدوية ضمن بيئة فسيولوجية باستخدام توصيل دواء سرطان المعدة كمثال. تشير هذه الدراسة إلى إمكانيات تكنولوجيا ميلي روبوت GH لتلبية متطلبات تطبيقات متعددة في الوقت نفسه، مثل الأداء والمرونة وقابلية التوسع ومتطلبات الجدوى الاقتصادية.

تتوافق هذه البحث مع جميع اللوائح الأخلاقية ذات الصلة. يتم إجراء هذه التجربة وفقًا لمتطلبات مدونة الاعتماد الدولية لجمعية تقييم واعتماد رعاية الحيوانات المخبرية الدولية وسياسات لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية (رقم B202309-5).

فيلم PI ( تم شراء المادة السميكة المستخدمة في معالجة الروبوتات الميليغرامية GH في التجربة من شركة دو بونت، الولايات المتحدة الأمريكية. تم تثبيت قطعة من فيلم PI على ركيزة زجاجية ثم تم تثبيتها على نظام الليزر باستخدام حامل تم تطويره ذاتيًا. أشعة الليزر أضاءت مباشرة على فيلم PI؛ لم يكن من الضروري أن تمر عبر الزجاج أولاً.

تم تطوير الليزر فوق البنفسجي ذو البيكو ثانية المستخدم في هذه الدراسة، بما في ذلك البصريات ونظام الحركة، بالتعاون مع شركة هانز ليزر. يمكن لهذا الليزر إنتاج شعاع ضوئي بطول موجي يبلغ 355 نانومتر، ومدة نبضة تبلغ 10 بيكو ثانية، وقطر نقطة مركزة يبلغ تقريبًا . كان لدى الليزر نظام حركة خطية ثنائي الأبعاد (في اتجاهات المحور X و Y) ونظام حركة للمحور Z. على طول المحورين X و Y، يمكن إجراء المعالجة على مدى ; كانت أقصى سرعة حركة . تم ضبط المسافة بين مستوى التركيز لشعاع الليزر ومستوى العمل (أي، مسافة عدم التركيز) باستخدام نظام حركة المحور Z. من خلال التحكم في المعلمات الثلاثة المذكورة أعلاه، قمنا بضبط كثافة طاقة الليزر ضمن النطاق الذي سيمكن من إزالة صفائح LIG الحلزونية المسامية من فيلم PI. تم تشكيل جميع أوراق LIG الحلزونية المسامية في درجة حرارة وضغط محيطين دون استخدام غازات واقية. تم استخدام آلة ترسيب المغناطيسي (Desk V TSV، Denton Vacuum) لترسيب النيكل على أوراق LIG؛ تم تنفيذ هذه العملية في بيئة من الأرجون باستخدام تيار قدره 90 مللي أمبير لمدة 16 دقيقة.

تم استخدام مجهر إلكتروني مسح (SU8220، هيتاشي) لمراقبة شكل السطح والميكروهيكل لأوراق LIG. علاوة على ذلك، تم إجراء مطيافية رامان لأوراق LIG باستخدام مجهر رامان (LabRAM HR Evolution، هوريبا جوبين يوفون) مع تحفيز بالليزر في درجة حرارة الغرفة. تم استخدام ميكروسكوب ضوئي (CX41، أوليمبوس) لفحص أبعاد أوراق LIG. تم ملاحظة الشكل السطحي وطيف EDS للروبوتات الصغيرة بعد الطلاء بالنيكل باستخدام ميكروسكوب إلكتروني مسح مزود بمطياف أشعة سينية موزعة بالطاقة (TESCAN MIRA LMS، جمهورية التشيك).

تم استخدام ملف هيلمهولتز ثلاثي الأبعاد (PS-3HM400، شركة هونان بايشينغ للتكنولوجيا المحدودة) لتوليد مجال مغناطيسي دوار لتحريك الروبوتات الميلي. يمكن أن تتراوح ترددات المجال المغناطيسي الدوار بين 1 هرتز و 10 كيلو هرتز. تم وضع الميكروبوت في بيئة سائلة ذات لزوجات مختلفة. وكانت المحلول داخل المثانة الخنزيرية المعزولة هو بول صناعي (تم شراؤه من السوق المحلي) عندما كان الروبوت GH-Microrobot يتحرك فيه. تم شراء المثانة الخنزيرية المعزولة من السوق المحلي. تم استخدام كاميرا عالية السرعة (VW-600C، كيينس) لالتقاط حركة الروبوتات الميلي. تم تحديد سرعة تقدم الروبوت GH من الوقت الذي غادرت فيه رأسه خط المقياس.

خمسون روبوتًا ميليًا من GH تم تفريق (طول) في 2 مل من محلول DOX-HCl (تركيز) ); بعد ساعة واحدة، تم إزالتها من المحلول وشطفها عدة مرات بالماء المنزوع الأيونات لإزالة DOX-HCl الحر. تم التقاط صور الفلورية لروبوت DOX-HCl@GH باستخدام مجهر مسح ليزري محوري (كارل زيس، ألمانيا). تم تحفيز إطلاق DOX-HCl بواسطة إشعاع NIR. تم إنتاج ضوء NIR باستخدام مصباح تحت الحمراء (BR125، فيليبس)؛ عند 30 سم مباشرة تحت المصباح، كانت كثافة الطاقة المتوسطة تم إجراء تجارب إطلاق الدواء في 2 مل من الماء المنزوع الأيونات. تم استخدام ثلاث مجموعات من الملي روبوتات؛ تتكون المجموعة الأولى والثانية من 10 و5 ملي روبوتات على التوالي، والتي تعرضت لإشعاع NIR؛ بينما تتكون المجموعة الثالثة من 10 ملي روبوتات لم تتعرض لإشعاع NIR أثناء حركتها في الماء.

تم قياس شدة الفلورية لمحلولات DOX-HCl باستخدام مطياف الفلورية (HORIBA Instruments Inc.، الولايات المتحدة الأمريكية)؛ كانت أطوال موجات الإثارة والانبعاث 470 و580 نانومتر، على التوالي. تم تطبيع شدة الفلورية للحصول على منحنى المعايرة، الذي يمكن من خلاله حساب كمية DOX-HCl المفرج عنها بعد إجراء الانحدار الخطي. كما تم حساب تركيزات الدواء المفرج عنها بواسطة الروبوتات الصغيرة تحت فترات إشعاع NIR مختلفة وفي مجموعات مختلفة من منحنيات الانحدار الخطي.

تم خلط الميلي روبوتات GH من الماء وتم توصيله إلى معدة الجرذ من خلال إبرة التغذية. تم استخدام ملف هيلمهولتز ثلاثي الأبعاد للتلاعب بحركة الروبوت الميلي GH في معدة الجرذ. تم إجراء DSA (CGO-2100 Plus، شركة بكين واندونغ للتكنولوجيا الطبية، الصين) لمراقبة وتسجيل حركة الروبوتات الميلي GH. وافقت لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية (رقم: HT-FORM-IAC-001-1A، شركة هويتنج للعلوم الحيوية المحدودة) على جميع بروتوكولات التجارب الحيوانية في هذه الدراسة.

تم تقسيم ستة عشر فأراً بالتساوي إلى أربع مجموعات، وهي (i) مجموعة التحكم التي لم تتلق أي تحميل من الميلي روبوت GH، والمجموعات المحملة بـ (ii) 1000، (iii) 2000، و (iv) 4000 ميلي روبوت GH، والتي تم تحميلها في كل فأر عن طريق التغذية القسرية يومياً لمدة 7 أيام متتالية (تم التخلص من الميلي روبوتات بشكل طبيعي من الجهاز الهضمي مع الطعام يومياً من خلال الإخراج). كان طول الميلي روبوتات GH 2 مم. تم مراقبة الفئران بشكل مستمر لمدة 14 يوماً، وتم تسجيل الشعر، والجلد، والعينين، والتنفس، والأنشطة السلوكية، والتبرز، ووزن الجسم، واستهلاك الطعام للفئران كل يوم. في نهاية اليوم الرابع عشر، تم جمع الدم الكامل لإجراء تحليل دموي روتيني، وتم جمع عينات مصلية لإجراء تحليل كيميائي حيوي.

تم الحصول على خلايا سرطان المعدة SGC-7901 من شركة iCell Bioscience Inc. (شنغهاي، الصين، رقم العنصر icell-h277) وتم الحفاظ عليها في وسط أساسي أدنى معزز بـ مصل جنيني من الأبقار (جيبكو) في و . بعد ذلك، تمت زراعة خلايا SGC-7901
معلق في محلول ملحي معزز بالفوسفات وتم حقنه تحت الجلد في فأر أنثوي من نوع BALB/c عاري الشعر يبلغ من العمر 5 أسابيع. تم إجراء هذه العملية على 32 فأراً. عندما نما الورم تحت الجلد إلى قطر يبلغ حوالي 10 مم، تم جمع الورم وقطعه إلى قطع صغيرة بقطر في محلول ملحي مُبرّد مسبقًا. الـ تم تخدير الفئران العارية من خلال الحقن داخل البطن بـ من أورسوديوال. بعد ذلك، تم فتح تجويف البطن، وتم سحب المعدة برفق، وتم خدش سطح الغشاء البلازمي للمعدة على الجدار الأمامي للجانب الذي يحتوي على انحناء أكبر باستخدام مقصات عينية بعناية. ثم تم وضع كتلة ورمية مسبقة القطع على المنطقة المخدوشة وثبتت باستخدام لاصق OB، بعد ذلك أعيدت المعدة إلى وضعها الأصلي، وتم إغلاق البطن، وتم خياطة المعدة طبقة بطبقة. بعد هذه الجراحة، تم وضع الحيوانات على بطانية تدفئة حتى استيقظت، وعند هذه النقطة أعيدت إلى قفصها. تم حقن البنسلين (80,000 وحدة) يوميًا لمدة 3 أيام لمنع العدوى، وتمت مراقبة الفئران يوميًا. بعد أن نمت الأورام لمدة تقارب أسبوعين، تم تقسيم الحيوانات عشوائيًا إلى ثلاث مجموعات، مع ثمانية فئران لكل مجموعة: المجموعة الأولى، التي تم إعطاؤها روبوتات ميكروية GH؛ المجموعة الثانية، التي تم إعطاؤها روبوتات ميكروية DOX-HCl@GH؛ والمجموعة الثالثة، التي تم إعطاؤها روبوتات ميكروية DOX-HCl@GH المستحثة بواسطة إشعاع NIR. كانت العلاج الدوائي لكل مجموعة كما يلي: المجموعة الأولى، تم إعطاؤها 2000 روبوت ميكروي GH لكل فأر ( تعليق)؛ المجموعة الثانية، إعطاء 2000 روبوت ميليغرام DOX-HCl@GH لكل فأر عن طريق التغذية القسرية ( تعليق)؛ ومجموعة iii، تغذية عن طريق أنبوب مع 2000 روبوت ميلي DOX-HCl@GH لكل فأر ( تعليق) تلاه إشعاع NIR. في هذا الإشعاع، كانت المصباح على بعد 30 سم من الفأر، وكان وقت الإشعاع 5 دقائق، وكانت دورة الجرعة مرة واحدة في اليوم. بعد أسبوعين، تم euthanizing الفئران، وتم جمع الأورام لإجراء IHC وصبغة H&E. في نهاية اليوم الرابع عشر، تم جمع الدم الكامل لإجراء تحليل دموي روتيني. تتوافق درجة الحرارة والرطوبة في بيئة التغذية مع معايير بيت الحيوانات العادية، وتحافظ على درجة الحرارة والرطوبة عند التناوب بين النهار والليل .

معلومات إضافية حول تصميم البحث متاحة في ملخص تقارير مجموعة نيتشر المرتبط بهذه المقالة.

البيانات التي تم توليدها في هذه الدراسة متاحة في ملف المعلومات التكميلية/بيانات المصدر. يتم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة.

تم دعم هذا العمل من قبل البرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (رقم المنحة 2022YFB4701000، Y.C.)، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (رقم المنحة 51975127، Y.C.، U20A6004، X.C.)، ومؤسسة غوانغدونغ للبحث الأساسي والبحث التطبيقي الأساسي (رقم المنحة 2022B1515120011، Y.C.). مؤسسة غوانغتشو للبحث الأساسي والبحث التطبيقي الأساسي (رقم المنحة 2024AO4J6362، Y.C.).

صمم Y.C. و Y.G. و B.X. الروبوتات الصغيرة وأجروا التجارب. طور Y.G. و B.X. و L.M. و M.H. و H.L. نموذج الروبوت الصغير. ساهم Y.C. و Y.G. و B.X. و J.G. و H.Z. و L.M. و Y.L. و C.P.W و N.Z. في المناقشة العلمية وتصميم التجارب. أجرى F.J. و Y.J.L. تجارب زراعة الخلايا والسمية الخلوية. أنتج Y.G. و B.X. رسومات توضيحية ثلاثية الأبعاد وأعدوا الفيديوهات. تصور Y.C. و N.Z. و X.C. المشروع. أخيرًا، كتب Y.C. و Y.G. و B.X. و N.Z. المخطوطة بمساهمات من جميع المؤلفين.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

المعلومات التكميلية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد تكميلية متاحة على https://doi.org/10.1038/s41467-024-48751-x.

يجب توجيه المراسلات وطلبات المواد إلى شين تشين، ويو جينغ لو أو ني تشاو.

معلومات مراجعة الأقران تشكر Nature Communications إيبوبكير أفجي والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة الأقران لهذا العمل. يتوفر ملف مراجعة الأقران.

معلومات إعادة الطبع والتصاريح متاحة على http://www.nature.com/reprints

ملاحظة الناشر تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة واستخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2024

Received: 1 June 2023
Accepted: 8 May 2024
Published online: 21 May 2024

Millirobots are machines with submillimeter dimensions that are capable of moving autonomously to perform specific tasks in microscopic confined spaces , such as microfluidic channels, biochips, and even the blood vessels of living organisms. In the past decade, proof-of-concept millirobots for drug or gene delivery , pollutant cleaning , and sensing applications have been reported. However, the steering and locomotion abilities of millirobots, in particular
their movement velocity and lateral drift , must still be improved to meet reliability and controllability requirements for their practical use.

Many millirobots have a helical configuration because this configuration can support both self-propulsion (such as chemical propulsion ) and external-stimulus-based propulsion when the stimulus originates from a magnetic field , an optical field , or an acoustic field . Several processing methods including three-

dimensional direct laser lithography , glancing angle deposition , biotemplate , laser ablation , and origami-based self-scrolling have been developed to create helical microstructures made from photoresists, hydrogels, or metals for millirobot fabrication. These methods’ relatively low throughput limits the scalability of millirobots; therefore, these millirobots are relatively expensive. Furthermore, because the materials used to fabricate millirobots are considerably denser than the liquids that these devices operate in, the millirobots might gradually sink during movement, thereby resulting in a major drift of the devices from their desired trajectory and a speed reduction . Accordingly, additional control units are required to offset the effects of gravity, and these units increase the complexity and price of the entire millirobot system.

We developed an unconventional laser-induced graphene (LIG) process that enables the high-throughput fabrication of millirobots with high speed and nearly-drift-free orientation capabilities. Through beam shaping and defocusing, triangular laser spots are generated and aligned along the laser scanning direction to create a sloped intensity profile for local processing; when such a light pattern is used to convert a polymer surface region into graphene, uneven gas fluxes are induced, and the forces at different edges of the graphene sheet are thus unbalanced, which causes the sheet to twist into a helical configuration as it peels off the polymer substrate. More importantly, the lightweight nature of graphene in combination with the highly porous microstructure created by the laser process results in a millirobot scaffold that has low density and high surface hydrophobicity; the resultant millirobots thus propel themselves while being fully suspended rather than exhibiting on-ground-like movement. In this study, magnetically driven nickelcoated graphene-based helical (GH) millirobots were found to exhibit almost zero lateral drift while achieving a high swimming velocity of 2.64 body lengths per second (forward velocity of 3109 . By systematically varying the laser processing conditions, we demonstrated that our fabrication method offers high throughput (77 millirobot scaffolds per second) and is versatile; various geometrical parameters of the millirobot can be tuned, including its body length, its sheet width, and the chirality, diameter, angle, and pitch of the helical structure. Finally, we used therapeutic drug delivery for gastric cancer treatment as an example to illustrate the
advantages of the developed GH millirobots for long-distance locomotion and drug transport in a physiological environment.

To ensure that our millirobots would be light, thus achieving the desired balance between gravity and buoyancy for precise propulsion (see the Supplementary Information for a detailed discussion), we designed and fabricated a porous GH millirobot. An ultraviolet (UV) laser system with a flat-field scanning galvanometer was developed to create helical graphene sheets from a polyimide (PI) substrate; a schematic of the equipment is shown in Fig. 1a. The flat-field scanning galvanometer was a biaxial scanning system that deflected the laser beam in the X -direction and Y -direction to form a two-dimensional scanning area, which was defined as the working plane of the laser. A set of focusing lenses was placed under the galvanometer and aligned along its optical axis for beam shaping. In a commonly used setting, the deflected laser beam is focused to a circular spot on the working plane, as illustrated in Supplementary Fig. Sla. In our fabrication platform, however, we intentionally tilted one of the lenses to shift the laser beam away from the original focusing surface; this shift induced asymmetric distortion of the laser spot on the working plane. By appropriately adjusting the distance between the working plane and the focal plane (i.e., the defocusing distance), we obtained a laser spot with a triangular shape on the working plane, as illustrated in Fig. 1a and Supplementary Fig. S1b. The predicted geometries of laser spots under normal and distorted conditions were experimentally verified by obtaining scanning electron microscopy (SEM) images of the laser-created spots on a substrate (Fig. 1b, c). Although the defocusing method was a convenient approach for achieving the triangular laser spot, there is a limit on the defocusing distance (typically 10 mm ); beyond a distance of 10 mm , the beam quality factor of the laser spot deteriorated considerably, which rendered the laser incapable of reliable and efficient processing .

The triangular laser spot was leveraged to produce porous and helical graphene sheets from a PI thin film. PI was selected as the starting material because it contains not only carbon but also hydrogen, oxygen, and nitrogen. Consequently, during the formation of LIG, various gas species, such as , and , were

Fig. 1 | Design of and process for producing porous helical LIG sheets. a Modulation for creating laser spots of different shapes at various distances from the focus plane. Laser spot in the shape of a rounded triangle on the defocus
plane. Round laser spot on the focus plane. Schematic of the fabrication of a helical LIG sheet by using the laser spot on the defocus plane.

Fig. 2 | Processing and characterization of porous helical LIG sheets. a Highspeed camera images of the formation of porous helical LIG sheets. SEM image of a helical LIG sheet. c Porous cross section of the helical LIG sheet and tree-like
fibers at the sheet’s bottom surface. e Right- and left-handed porous helical LIG sheets processed by selecting different laser scanning directions. These experiments were repeated for more than 10 different batches and yield similar results.
produced, which resulted in the creation of a substantial number of micropores and nanopores . Increasing the laser power accelerated the production and release of the aforementioned gases and consequently enhanced the porosity of the . When the laser power exceeded , the rate of gas production far exceeded the rate of gas release, thereby resulting in the accumulation of a considerable quantity of gas that eventually broke the weak connection between the top LIG sheet and the PI substrate. This disconnection meant that the LIG sheet peeled off the PI substrate. The formation of the graphene phase was confirmed through Raman spectroscopy (Supplementary Fig. S2a). Because the gas production was induced by the laser, the geometry of the laser spot influenced the final configuration of the LIG sheet. For instance, when the triangular laser spot was asymmetric along the laser scanning direction-for example, the laser scanning direction aligned with one of the edges of the triangle (e.g., edge III in Fig. 1b)-a considerably higher quantity of gas formed at the bottom edge of the LIG sheet than at its top edge because of more intense laser exposure at the bottom edge. This uneven gas formation created a torque force that deformed and twisted the LIG sheet. When torque force formation continued along the scanning line, the sheet was transformed into a helix, as illustrated in Fig. 1d. By contrast, when the laser spot was circular, the gas formation along the scanning line was uniform, which resulted in a bent LIG sheet (Supplementary Fig. S3).

The PI-to-LIG conversion process created a microstructure in the LIG sheets that favored the sheets’ application as a millirobot scaffold. First, the high-flux gas production during graphenization created abundant micropores and nanopores throughout the sheets, as revealed by the cross-sectional SEM image displayed in Fig. 2c. This high porosity not only resulted in the sheets being less dense than they would have been without the pores but also rendered their surface hydrophobic. For instance, a laser-processed LIG sheet was discovered to modulate a contact angle within the range of by adjusting laser power levels (Supplementary Fig. S2b, S2c). Furthermore, the twisting and peeling off of the LIG sheet from the substrate stretched the microstructure at the sheet’s bottom surface, leaving behind treelike fibers (Fig. 2d). Pathways for capillary emptying formed between the fibers, and these pathways further enhanced the hydrophobicity of the helical LIG sheets. Overall, the hydrophobic microstructure allows for the efficient trapping of air inside the pores when the helical LIG
sheet is immersed in a liquid, with this trapped air conferring favorable buoyancy to the sheet; moreover, the hydrophobicity of the millirobot’s surface can also lead to a greater step-out frequency and higher swimming velocity .

Importantly, the fabrication of the helical LIG sheets was rapid and well-controlled. As displayed in Fig. 2a, only approximately 100 ms was required to produce a helical LIG sheet with a length of 12 mm (Supplementary Video 1); 77 helical graphene scaffolds with a typical length of 1.5 mm could thus be fabricated within only 1 s . The chirality of the helical structure can be set to right- or left-handed through the selection of the laser scanning direction (Fig. 2e and Supplementary Figs. S4 and S5). In addition, the geometrical parameters of the helical LIG sheets-including their width, helix diameter, pitch, and body length-can be precisely controlled by adjusting the laser power and scanning conditions. The smallest millirobot fabricated in this study had a sheet width, helix diameter, and helix pitch of approximately , and , respectively (thus, the minimal length of a millirobot containing at least one full helix pitch is approximately 1 mm ). At sizes greater than these minimal sizes, the dimensions of the millirobots can be tuned by varying the laser spot size, scanning speed, and scanning length, with the tuning resolutions for the sheet width, helix diameter, pitch, and length being , and , respectively (see Supplementary Figs. S5 and S6 and the corresponding discussions for details). The density and surface wettability of the helical LIG sheets can be tuned by adjusting the laser power and scanning speed. Therefore, the suspension and motion characteristics of the millirobots can be decided in the fabrication stage.

To create magnetic-field-controllable GH millirobots from the fabricated helical LIG sheets, we sputtered a thin layer of nickel on the sheets and then conducted standard magnetization treatment along the radial direction of the helix. The results of SEM imaging and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping (Supplementary Figs. S7 and S8) indicated that nickel was mostly distributed on the surface of the LIG sheets and that the lightweight and porous properties of the bulk LIG sheets were retained. Manipulation of the GH millirobots involved applying a rotating magnetic field generated by a three-dimensional Helmholtz coil (Supplementary Fig. S9). This field produced a torque with a rotational frequency on the GH

Fig. 3 | Schematic of GH millirobots with different states and characterizations when suspended. a Schematic of the high-density, on-ground-like GH millirobot. The torque applied to this GH millirobot was produced using a uniformly strong rotating magnetic field under a rotational frequency . Time-lapse diagram of the motion of the high-density GH millirobot (on-ground GH millirobot). Scale bar: 5 mm . c Velocity of low-density GH millirobots with helix diameters of , 349 , and at various rotational frequencies. The process used to obtain the
prediction curve is detailed in Supplementary Note S1. d Schematic of the lowdensity fully suspended GH millirobot. e Time-lapse diagram of the motion of the low-density GH millirobot (suspending GH-millirobot). Scale bar: 5 mm .
Comparison of the swimming velocity [unit: body lengths per second (BL/s)] and drift ratio of magnetically actuated helical millirobots . The details are shown in Supplementary Table S1.
millirobots; the torque initiated their rotation, and the helical configuration’s motion was transformed into translational propulsion. Through the alteration of the rotational direction and magnitude of the magnetic field, the GH millirobots could be directionally steered. Unless otherwise specified, the motion of the GH millirobots was measured under a 12 mT magnetic field.

We first examined the effect of the fabricated GH millirobots’ density on the accuracy of their trajectory. By adjusting the laser processing parameters, we fabricated two types of GH millirobots: a high-density ( ) millirobot, which quickly sank in a liquid environment and exhibited on-ground-like conventional motion (Fig. 3a, the processing details are shown in Supplementary Fig. S10), and a low-density ( ) millirobot, which was fully suspended in a liquid environment during propulsion (Fig. 3d). Notably, the lowdensity GH millirobot is the lightest magnetically actuated millirobot reported to date. As illustrated in Fig. 3b, e, both millirobots were expected to complete a 20 mm -long linear trajectory along the y -axis while being driven by the same rotating magnetic field. However, the high-density millirobot exhibited a pronounced lateral drift (i.e., drift along the x-axis) during propulsion (Supplementary Video 2). Consequently, the final trajectory of this millirobot deviated from the target trajectory by (lateral drift of 17 mm ; Fig. 3b). By contrast, the low-density millirobot exhibited almost zero lateral drift (Fig. 3e), demonstrating a remarkable ability in tracking the designated trajectories. Helical LIG sheets with different chirality have the same material properties and microstructure. Accordingly, millirobots made from helical LIG sheets with differing chirality have the same density but rotate in opposite directions under the same magnetic field, thereby resulting in them having opposite-direction movement, as shown in Supplementary Fig. S11 and Supplementary Video 3.

Subsequently, we evaluated the motion characteristics of the fabricated GH millirobots. The rotational frequencies of the applied
magnetic field were comparable to those of other magnetic-field-driven millirobots. Under a high rotational frequency of 24 Hz , the lightest helical GH millirobot achieved a high forward velocity of , which was approximately equal to 2.64 body lengths per second (1 body length ), in deionized water. For an equitable comparison of the propulsion speeds among different millirobots, we calculate the swimming velocity , defined as the number of body lengths advanced per second, for our millirobots, and compare the value with those reported in the literature . As shown in Fig. 3f, the lightest GH millirobot exhibited a high swimming velocity of 1.43 body lengths per second when the rotational frequency was 10 Hz (the most commonly used condition in other studies) and a nearly zero drift ratio (ratio of lateral drift to forward distance), see the Supplementary Table S1 for a detailed discussion.

Additionally, it is worth mentioning that the velocity characteristics of our GH millirobots with various helix dimensions could be favorably predicted using a parametric dynamic model, as illustrated in Fig. 3c. A detailed description of this model is provided in Supplementary Note S1. Accuracy in model prediction ensures an efficient design-to-implementation process.

To demonstrate the potential applications of our GH millirobots, we selected the therapeutic drug delivery application because precise and noncontact control of a millirobot’s movement is crucial in liquidcontaining environments with complex shapes. Figure 4 illustrates the therapeutic drug delivery process in the proposed application scenario. To validate the ability of the fabricated GH millirobots to conduct therapeutic drug delivery, we conducted in vivo manipulation of a GH millirobot in a rat’s stomach. A GH millirobot, which was manipulated using a rotating magnetic field with a strength of 12 mT (far below the safety level with respect to human exposure ), was imaged in

real-time by using a digital subtraction angiography (DSA) device. To ensure unambiguous identification and tracking, the path of the GH millirobot’s movement had to be sufficiently long for the imaging system (which had resolution of ); therefore, a rat was selected because of its adequately sized stomach. The results of the manipulation, which are shown in Fig. 5a and Supplementary Video 4, indicated that the manipulation successfully guided the GH millirobot to various targets in the rat’s stomach. Moreover, the GH millirobot demonstrated its capability to execute targeted movements within the bladder filled with artificial urine in two scenarios (the details are shown in Supplementary S12 and Supplementary Video 5). Throughout these maneuvers, the microrobot effectively maintained a safe distance from the mucosal surface of the bladder wall, thus circumventing potential interference from surface structures-a common challenge encountered in the operation of wall-contact microrobots. Of significant importance, this avoidance of wall contact ensures the protection of non-cancerous cells from exposure to drugs during transport. These demonstrations underscore the advantages of GH millirobots in executing prolonged locomotion and facilitating drug transport within a physiological environment.

Subsequently, we examined the drug loading and release capabilities of the GH millirobots. Doxorubicin hydrochloride (DOX-HCl), which is a widely used anticancer drug with an aromatic molecular structure , was selected as the test drug because of its ability to readily bind to the GH millirobots through , electrostatic, and hydrophobic interactions . The loading process involved immersing the GH millirobots in DOX- HCl solution for a certain duration, after which the millirobots were rinsed with deionized water (see the Methods section for details; Fig. 4I). Confocal laser scanning microscopy imaging revealed bright red fluorescent spots on the millirobots (Fig. 5b), which confirmed that DOX- HCl molecules had successfully bound to various sections of the devices.

To trigger the drug release process, we employed near-infrared (NIR) irradiation as the stimulus because it does not involve contact, offers sufficient penetration depth, and causes little damage to organs . As illustrated in Fig. 5d, DOX-HCl was rapidly released within 10 min upon NIR irradiation. We quantitatively evaluated the quantity of drug released by performing spectrophotometry (calibration curve is shown in Fig. 5c). The results suggested that approximately of DOX- HCl was released from each DOX- millirobot during 5 min of NIR irradiation. Prolonged NIR irradiation beyond 10 min resulted in a rapid decrease in drug release, likely due to DOX-HCl
destabilization caused by high temperature associated with extended irradiation times. Furthermore, the quantity of drug released by each GH millirobot was approximately the same between batches, as indicated in Supplementary Note S2 .

Finally, we evaluated the safety and efficacy of the GH millirobots’ drug delivery by using a mouse model. The rat model was not applicable because of the lack of rats’ immunodeficiency for tumor model construction. BALB/c nude mice, a widely adopted immunodeficient animal model, were selected, and gastric cancer was selected as the disease model because the method used to construct a tumor xenograft model in mice is technically mature. We first conducted safety examinations on healthy mice and found that the mice maintained a stable body weight even when they received numerous GH millirobots through gavage. The weights of their internal organs were almost identical to those of a control group (without GH millirobot loading, Supplementary Fig. S13; evidence from other biochemical analyses is displayed in Supplementary Figs. S14 and S15); this result suggested that the fabricated GH millirobots might function as safe drug carriers. Subsequently, the following three groups of mice with gastric cancer were treated: Group i, which was treated using pristine GH millirobots (i.e., not loaded with a drug not exposed to NIR irradiation); Group ii, which was treated using DOX-HCl-loaded GH millirobots but not exposed to NIR irradiation; and Group iii, which was treated using DOX-HCl@GH millirobots and exposed to NIR irradiation. The treatments lasted for 14 days. As shown in Supplementary Fig. S16b, the body weights of the mice in the three groups remained similar (with less than deviation) at various stages of the treatment (the general decrease in the mice’s body weights was caused by tumors). Furthermore, routine hematological analysis revealed that all hematological indices of the mice were normal after the treatments (Supplementary Fig. S17). These results collectively demonstrate the therapeutic safety of the treatment. In the meanwhile, the efficacy of the treatment was validated by the substantially smaller tumor weight in Group (iii) mice, as compared to Groups (i) and (ii), as illustrated in Fig. 5e and Supplementary Fig. S16a. Thus, the DOX-HCl-loaded GH millirobots exposed to NIR irradiation had an effective inhibitory effect on the mice’s tumors. Biopsied tumor samples were subjected to immunohistochemical (IHC) staining (with Caspase-3, which appears brown) and general hematoxylin-eosin (H&E) staining to verify the treatment’s efficiency. As shown in Fig. 5f, compared with the samples from the other groups, the Group iii samples exhibited more pronounced and larger brown areas in

Fig. 5 | Drug delivery and release by GH millirobots. a Movement of a GH millirobot in a rat stomach, where the millirobot was controlled by a rotating magnetic field with a strength of 12 mT . b Fluorescent image obtained under a confocal laser scanning microscope of a GH millirobot loaded with DOX-HCl. The experiment was repeated for three different batches and yield similar results. c Fluorescence intensity of DOX-HCl solutions of various concentrations ( , and ); the fluorescence intensity was measured using a fluorescence spectrophotometer, and the concentrations of the released drug were fit through linear regression. a.u., arbitrary units. d Concentration of DOX-HCl released under NIR
irradiation in 2 mL of deionized water. The curves were fitted using a quadratic Gaussian equation. The fluorescence counting was started 30 s after the initiation of DOX release at time point 0 . Measurements were then taken at intervals of 1 min , 5 min , and subsequently every 5 min thereafter. The inset provides a magnified view of the initial 2-minute period. e Gastric tumor volume in three mice groups. The “DOX-HCl@GH-Millirobot” stand for GH-Millirobot loaded with DOX-HCl, ( / group). Data are presented as the means s.e.m. Gastric tumor biopsy images obtained under IHC staining with phosphorylated caspase (brown) and under H&E staining for the three mice groups. Scale bar: .

IHC images and larger blank areas in H&E images, indicating more extensive tumor apoptosis and demonstrating that the treatment was effective. In conclusion, the aforementioned comprehensive results indicated that the GH millirobots carrying DOX-HCl that was to be released upon NIR irradiation were effective and safe for tumor therapy in mice. It’s notable that the micro robots demonstrate functionality within the gastric cancer model due to the temporary fluidic environment that the stomach can create following water ingestion.

Nonetheless, these micro robots may find enhanced suitability for treating diseases within organs like the bladder, characterized by constant fluidic environments.

In this study, we demonstrated the high-throughput fabrication of porous GH millirobots by conducting linear scanning with triangular laser spots to convert PI into graphene. This processing method not
only induces the spontaneous twisting and peeling off of LIG sheets from a PI substrate but also provides the sheets a highly porous structure. As such, millirobot scaffolds with low density and high surface hydrophobicity are created, and the resultant millirobots remain fully suspended when being propelled magnetically. The nickel-coated GH millirobots exhibit impressive locomotion speed and excellent ability to track programmed trajectories, showing nearly zero deviation. By systematically varying the laser processing conditions, we demonstrated that the adopted fabrication method offers high throughput ( 77 millirobot scaffolds per second) and is highly controllable and versatile; various geometrical parameters linked to the locomotion properties of millirobots can be tuned using a parametric model. In particular, the combination of high production speed and low raw material cost makes it feasible to maintain the cost per millirobot device below one cent: US$0.01 (Supplementary Note S3). We validated the advantages of GH millirobots in the context of longdistance locomotion and drug delivery within a physiological environment by using gastric cancer drug delivery as an example. This study indicates the potential of GH millirobot technology to meet numerous application requirements simultaneously, such as performance, versatility, scalability, and cost-effectiveness requirements.

This research complies with all relevant ethical regulations. This experiment performs in accordance with the requirements of the international accreditation code of the Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International and the policies of the Institutional Animal Care and Use Committee (No. B202309-5).

The PI film ( thick) used to process the GH millirobots in the experiment was purchased from DuPont, USA. A piece of PI film was affixed to a glass substrate and then fixed to a laser system by using a self-developed bracket. The laser beam directly irradiated the PI film; it did not need to pass through the glass first.

The UV picosecond laser used in this study, including the optics and motion system, was developed in cooperation with Han’s Laser. This laser could produce a light beam with a wavelength of 355 nm , a pulse duration of 10 ps , and a focused spot diameter of approximately . The laser had a two-dimensional linear motion system ( X – and Y -axis directions) and a Z -axis motion system. Along the X – and Y -axis, processing could be performed over a range of ; the maximum movement speed was . The distance between the focal plane of the laser beam and the working plane (i.e., the defocus distance) was adjusted using the Z-axis motion system. By controlling the aforementioned three laser parameters, we adjusted the energy density of the laser to within the window that would enable the porous helical LIG sheets to be removed from the PI film ( ). All porous helical LIG sheets were formed at ambient temperature and pressure without the use of protective gases. A magnetron sputtering machine (Desk V TSV, Denton Vacuum) was employed for the deposition of nickel on the LIG sheets; this process was performed in an argon environment and by using a current of 90 mA for 16 min .

A scanning electron microscope (SU8220, Hitachi) was used to observe the surface morphology and microstructure of the LIG sheets. Moreover, Raman spectroscopy of the LIG sheets was conducted using a Raman microscope (LabRAM HR Evolution, HORIBA Jobin Yvon) with laser excitation at room temperature. An optical microscope (CX41, OLYMPUS) was employed to examine the dimensions of the LIG sheets. The surface morphology and EDS spectra of the millirobots were observed after nickel plating by using a scanning electron microscope equipped with an energy-dispersive X-ray spectrometer (TESCAN MIRA LMS, the Czech Republic).

A three-dimensional Helmholtz coil (PS-3HM400, Hunan Paisheng Technology Co., Ltd.) was used to generate a rotating magnetic field to actuate the GH millirobots. The frequency of the rotating magnetic field can vary between 1 Hz and 10 kHz . The microrobot was put into the liquid environment with different viscosities. And the solution inside the isolated pig bladder was artificial urine (purchased from local market) when the GH-Microrobot was moving in. The isolated porcine bladder was purchased from the local market. A high-speed camera (VW-600C, Keyence) was used to capture the movement of the millirobots. The forward velocity of a GH millirobot was determined from the time that its head left the scale line.

Fifty GH millirobots ( long) were dispersed in 2 mL of DOX-HCl solution (concentration of ); after 1 h , they were removed from the solution and rinsed several times with deionized water to remove the free DOX-HCl. Fluorescence images of a DOX-HCl@GH millirobot were captured using a confocal laser scanning microscope (Carl Zeiss, Germany). The release of DOX-HCl was stimulated by NIR irradiation. The NIR light was produced using an infrared lamp (BR125, PHILIPS); at 30 cm directly below the lamp, the average power density was . The drug release experiments were conducted in 2 mL of deionized water. Three groups of millirobots were used; the first and second groups consisted of 10 and 5 millirobots, respectively, which were exposed to NIR irradiation; the third group consisted of 10 millirobots that were not exposed to NIR irradiation during their movement in water.

The fluorescence intensity of DOX- HCl solutions was measured using a fluorescence spectrophotometer (HORIBA Instruments Inc., USA); the excitation and emission wavelengths were 470 and 580 nm , respectively. The fluorescence intensity was normalized to obtain a calibration curve, on the basis of which the quantity of released DOXHCl could be calculated after linear regression was performed. The concentrations of drug released by the millirobots under different NIR irradiation durations and in different groups were also calculated from the linear regression curves.

The GH millirobots were mixed in of water and delivered to the stomach of a rat through a gavage needle. The three-dimensional Helmholtz coil was used to manipulate the motion of the GH millirobot in the rat stomach. DSA (CGO-2100 Plus, Beijing Wandong Medical Technology Co., China) was performed to monitor and record the motion of the GH millirobots. The Institutional Animal Care and Use Committee (No: HT-FORM-IAC-001-1A, Huateng BioScience Co., Ltd.) approved all animal experimentation protocols of this study.

Sixteen mice were equally divided into four groups, namely (i) a control group receiving no GH millirobot loading and groups loaded with (ii) 1000 , (iii) 2000 , and (iv) 4000 GH millirobots, loaded in each mouse through gavage on a daily basis for 7 consecutive days (the millirobots were naturally eliminated from the digestive system with food daily through excretion). The GH millirobots had a length of 2 mm . The mice were continuously observed for 14 days, and the hair, skin, eyes, respiration, behavioral activities, defecation, body weight, and food consumption of the mice were recorded each day. At the end of the 14th day, whole blood was collected for routine hematological analysis, and serum samples were collected for biochemical analysis.

SGC-7901 gastric cancer cells were obtained from iCell Bioscience Inc. (Shanghai, China, Item No. icell-h277) and maintained in minimum essential medium supplemented with fetal bovine serum (Gibco) at and . Subsequently, SGC-7901 cells were
suspended in of phosphate-buffered saline and injected subcutaneously into a 5-week-old female BALB/c nude mouse. This procedure was performed for 32 mice. When a subcutaneous tumor had grown to a diameter of approximately 10 mm , the tumor was collected and cut into small pieces with a diameter of in precooled saline. The nude mice were anesthetized through intraperitoneal injection of of ursodiol. Subsequently, the abdominal cavity was opened, the stomach was gently pulled out, and the plasma membrane surface of the stomach on the anterior wall of the side with greater curvature was carefully scratched with ophthalmic scissors. A precut tumor block was then placed on the scratched area and fixed with OB adhesive, after which the stomach was returned to its original position, the abdomen was closed, and the stomach was sutured layer by layer. After this surgery, the animals were placed on a heating blanket until they had awoken, at which point they were returned to their cage. Penicillin (80,000 units) was injected daily for 3 days to prevent infection, and the mice were observed daily. After the tumors had grown for approximately 2 weeks, the animals were randomly divided into three groups, with eight mice per group: Group i, which was administered GH millirobots; Group ii, which was administered DOX-HCl@GH millirobots; and Group iii, which was administered DOX-HCl@GH millirobots induced by NIR irradiation. The drug therapy for each group was as follows: Group i, gavage with 2000 GH millirobots per mouse ( suspension); Group ii, gavage with 2000 DOX-HCl@GH millirobots per mouse ( suspension); and Group iii, gavage with 2000 DOX-HCl@GH millirobots per mouse ( suspension) followed by NIR irradiation. In this irradiation, a light bulb was 30 cm from the mouse, the irradiation time was 5 min , and the dosing cycle was once a day. After 2 weeks, the mice were euthanized, and the tumors were harvested for IHC and H&E straining. At the end of the 14th day, whole blood was collected for routine hematological analysis. The temperature and humidity of the feeding environment meet the standard of ordinary animal house, and keep the temperature and humidity at . The alternating time of day and night .

Further information on research design is available in the Nature Portfolio Reporting Summary linked to this article.

The data generated in this study are provided in the Supplementary Information/Source data file. Source data are provided with this paper.

This work was supported by the National Key R&D Program of China (grant No. 2022YFB4701000, Y.C.), the National Natural Science Foundation of China (grant No. 51975127, Y.C., U20A6004, X.C.), and the Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (grant No. 2022B1515120011, Y.C.). Guangzhou Basic and Applied Basic Research Foundation (grant No. 2024AO4J6362, Y.C.).

Y.C., Y.G., and B.X. designed the millirobots and conducted the experiments. Y.G., B.X., L.M., M.H., and H.L. developed the millirobot model. Y.C., Y.G., B.X., J.G., H.Z., L.M., Y.L., C.P.W, and N.Z. contributed to the scientific discussion and experimental design. F.J. and Y.J.L. conducted the cell culture and cytotoxicity experiments. Y.G. and B.X. produced 3D graphic illustrations and prepared the videos. Y.C., N.Z., and X.C. conceived the project. Finally, Y.C., Y.G., B.X., and N.Z. wrote the manuscript with contributions from all authors.

The authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41467-024-48751-x.

Correspondence and requests for materials should be addressed to Xin Chen, Yu-Jing Lu or Ni Zhao.

Peer review information Nature Communications thanks Ebubekir Avci and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is available.

Reprints and permissions information is available at http://www.nature.com/reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024