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国内外首次研制出多款微纳机器人,正游向医疗领域广阔的“蓝海”

www.cechina.cn2021.04.08阅读 317

  在国内外首次研制出多款微纳机器人,凭籍自推进运动,穿越多道生物屏障的障碍和阻隔,将药物送到眼球底部或脑组织深处,使青光眼、癫痫、脑胶质细胞瘤、中风偏瘫等棘手医疗难题有望获得解决。如今,这些貌似神话的情景,正一步步变成现实。
  由哈尔滨工业大学微纳米技术研究中心贺强教授及团队骨干成员吴志光教授等人完成的一系列科研项目,迄今累计被《科学机器人》、《德国应用化学》、《先进功能材料》、《麻省理工科技评论》、《美国化学会杂志》等20余家国际期刊刊用,最高影响因子27.4分,由此奠定了我国科学家在海内外医用纳米机器人研究的领军位置。
  据专家介绍,常规的药物递送如打针、吃药、静点等,都是药物分子或载体在血液等流体中扩散进行的,这些药物分子或载体随血流等生物流体而扩散,递送效率低下,且毒副反应比较重。有学者对最近30年以来的药物递送方式做出了统计,发现递送约12小时后,到达“旅程”终点的药物还不到1%。这意味着绝大部分药物已在“邮路”上丢失了。因此,如何构建新型主动药物运输的“渠道”,成了学术界的热点和关切。
  1966年控制工程网版权所有,有部国外电影《奇幻旅程》,描述了一名医学科学家身患重疾,为了生存,不得不做出一个冒险决定——将他的5名同事极度缩小到纳米尺寸,注射进自己的体内,直接“游”到病灶区域替他治疗。实际上,人们借助这个虚幻故事,一直梦想创造发明一种主动的游动纳米机器人,装载好药物在人体内展开“自由泳”,最后直达病变部位发挥药效。
  让人欣喜的是,自 2004 年起,业内就已经逐步发展、涌现出了多种化学和外物理场(光电磁热等)驱动的游动微纳米机器人,这些机器人可在水中高效游动,但人体内环境非常复杂CONTROL ENGINEERING China版权所有,不仅仅存在水分,尤其是身体中还有血脑屏障、血眼屏障等多种生物屏障,这些生物屏障在保护人体免遭外源细菌和病毒侵入的同时,也妨碍了机器人向病患区域精准投送药物。
  中国微米微纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、哈工大博士生指导导师吴志光教授介绍说,早期游动微纳米机器人www.cechina.cn,基本都是基于微机电系统等构件,自身材料主要由金属、金属氧化物及人造聚合物构成。可以想象,这样的微纳机器人进入体内后,首先不能被降解,因而具有很大的危险性;其次,这些金属物和聚合物是人体外源物质,生物相容性较差www.cechina.cn,一旦进入体内就会触发免疫系统的“警报”,受到免疫细胞的围剿,致使“出师未捷身先死”, 还没来得及开展生物医学工作,就已经被人体免疫系统“绞杀”了。
  “研发微纳尺寸机器人首先要解决的是驱动问题,许多宏观世界的驱动方法在微观世界里却难以实现。”吴志光教授打个比方说:“比如你躺在浴缸里,感觉浴缸里都是水,可以浮动。如浓缩成纳米尺度,你身边就不是水,而是一种非常浓稠的‘糖浆’,所以你无法打破时间对称性,就会被束缚住,动弹不得。”
  科学家发现,自然界有很多微纳米尺度的东西能够自主游动,犹如“一天到晚游泳的鱼”,比如分子马达、生物马达,还有细菌、精子等,通过摆动过程中产生的不对称的区域流体场向前运动。基于这个原理,很多人开始提出了一系列游动微纳米机器人,并引入生物医学研究领域。而早在2010年,贺强教授就在哈工大组建了首个游动纳米机器人研发团队,在他的顶层设计下,吴志光及同事应用化学方法,首次将原子组装成微纳米的结构,在化学场或外光、磁场下成功实行了可控游动,甚至直接引导志目标细胞。
  “然而,这些微纳机器人今后要想在临床中转化应用,有两个重要环节是绕不开的。”吴志光教授解释说,首先微纳机器人需要能够在复杂的人体环境中运动。“这里面大致分为三类,一是主动打破细胞膜,二是让它们在血液中运转起来,三是在眼内玻璃体和胃肠道黏液等多孔生物流体中流动。”为此,吴志光团队开动脑筋,首次将微纳米机器人伪装成天然细胞,从而“骗过”了免疫系统的打击。
  同时,在逆血流游动时,流速对微纳米机器人有较大影响。团队发现,自然界有很多动物和微生物在流体的环境下生存,为了更好地适应流动性的环境,这些生命往往选择贴近基底运动。受此启发,贺强团队研创了两种可以沿着基底运动的游动微纳米机器人,以及一款尺寸比生物水凝胶孔径更小的机器人,后者可在眼泪玻璃体中自由穿梭。这种机器人表面有一个润滑层的微纳米器,其头部呈螺旋形结构,可控制运动方向和速度,精确度约在9平方毫米范围内,达到了目前常规的眼科药物载体无法企及的水平。
  另一个问题就是流动微纳米机器人的成像和控制。吴志光解释说:“纳米机器人的尺寸较小,一般比常规的成像分辨率低很多,而且和生物组织的对比度不足。”团队通过包裹机器人,使外观尺寸成像分辨率得以增大;同时借助动作分离方法,提取并掌控完全来自于游动微纳米机器人的动作行为,将其与生物组织进行区分,最终完成了对流动微纳机器人的实时成像和准确操控。迄今为止,科研团队率先运用可控化学组装设计并合成了不同尺寸、结构和功能的微纳米机器人,阐明了低雷诺数下机器人自推进运动的构效关系、为游动微纳米机器人在生物医疗等领域取得了阶段性成果。
  在这些重要成果中,贺强团队首次研制了有效且稳定地携带紫杉醇等抗癌药物的机器人,依靠自主研发的控制系统,突破血脑屏障和血肿屏障,将药物送入脑部病变深处,显著增强了紫杉醇的浓度及靶向效率,使脑胶质细胞瘤的顽固“堡垒”从内部被瓦解成为可能。而由吴志光教授参与的国际合作课题“一群光滑的微型螺旋机器人穿过眼睛的玻璃体”,利用纳米级3D打印技术制作的机器人“小蝌蚪”,成功地“游入”实验动物的眼球,不到30分钟内,就已“抢滩登陆”视网膜,比相似大小的药物颗粒通过眼睛的速度快了10倍,为未来青光眼、黄斑水肿、白内障的治疗趟出了一条新路。《科学》、《自然》等多家著名学术媒体纷纷报道了他们的工作进展,并给予高度评价。
  展望未来,纳米级技术不再只是好莱坞大片里超级英雄才能拥有的酷炫高科技CONTROL ENGINEERING China版权所有,而将切实地造福人类生活。美国未来学家、谷歌工程总监雷·库兹韦尔预言说:今后,医疗纳米机器人有望把人脑和云脑(云计算系统)连接起来,进而提高人类智力和延长人类寿命。2030年,纳米机器人将会定居在人体内,随着血液循环遍布人体,演进成“人机融合”的一部分。“前景美好,未来可期!”贺强教授表示,在科学家面前,日后的探索之路还很漫长,毕竟生物医疗器械或药物要经过长时间的多期临床实验和观察才能开花结果,因此要经得起失败,耐得住寂寞。
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