納米機(jī)器人“霸氣側(cè)漏”！可以送藥、手術(shù)、解毒

近年來，微型/納米機(jī)器人在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，且作為廣大。包括藥物運(yùn)輸、外科手術(shù)、醫(yī)療診斷、解毒等在內(nèi)的應(yīng)用正展現(xiàn)出這些微小機(jī)器人得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。機(jī)械學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、納米科學(xué)等學(xué)科的合作和融合，促使了機(jī)器人在疾病預(yù)防、診斷和治療應(yīng)用上綻放出不一樣的火花。

3月份，《Science Robotics》發(fā)表一篇題為“Micro/nanorobots for biomedicine: Delivery, surgery, sensing, and detoxification”的綜述，詳細(xì)闡述了微型、納米機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

隨著動力學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)成像等技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)生、患者接受度的提高，醫(yī)療機(jī)器人快速發(fā)展。不同于傳統(tǒng)的機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人由細(xì)小的零件和智能材料構(gòu)成，可以進(jìn)行復(fù)雜而精妙的手術(shù)、解毒等操作，例如達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人?？茖W(xué)家們研發(fā)的小型、多功能化機(jī)器人只有幾微米的尺寸，甚至于更小，它們可以到達(dá)人體的任何部位，將操作降至細(xì)胞水平，以便更精準(zhǔn)、高效的診斷和治療。

實(shí)現(xiàn)微型/納米機(jī)器人運(yùn)動的不同驅(qū)動機(jī)制(化學(xué)反應(yīng)及磁場、超聲波、光、電等外力)，以及機(jī)器人在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不同的應(yīng)用圖示(來源于：綜述)

許多研究表明，這些微型/納米機(jī)器人可以穿過復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)或者狹窄的毛細(xì)血管，進(jìn)行局部診斷、成像、運(yùn)載活檢樣本、靶向釋放藥物等操作。很多微型/納米機(jī)器人由生物相容性材料構(gòu)成，可以在任務(wù)完成后在人體內(nèi)逐漸降解、消失。

實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)輸

現(xiàn)有的納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)藥物運(yùn)輸依賴于體循環(huán)，缺少定點(diǎn)運(yùn)輸、組織滲透等驅(qū)動和導(dǎo)航能力。為了實(shí)現(xiàn)藥物在疾病部位的精準(zhǔn)釋放，藥物運(yùn)輸機(jī)器人需要具備強(qiáng)大的驅(qū)動力、導(dǎo)航系統(tǒng)、藥物釋放和組織滲透的能力。

雖然已有的機(jī)器人“羽翼未豐”，但是它是實(shí)現(xiàn)藥物運(yùn)輸?shù)睦硐牖d體?？茖W(xué)家們對其充滿期待，他們認(rèn)為納米機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)藥物的快速、精準(zhǔn)釋放，從而提高療效、減輕藥物副作用。

很多初步研究已經(jīng)很好地在體外、試管中展示了納米機(jī)器人在藥物運(yùn)輸上的潛能，例如多層管狀聚合納米機(jī)器人被證實(shí)可以通過多孔膜逐層裝載抗癌藥物阿霉素，且可以到達(dá)癌細(xì)胞附近。不少用于藥物運(yùn)輸?shù)奈⑿?納米機(jī)器人正處于研發(fā)早期。其中，細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸是該領(lǐng)域的熱門研究方向。納米機(jī)器人能夠穿透細(xì)胞膜并直接運(yùn)輸各種治療藥物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

除了化學(xué)反應(yīng)、超聲波、電能等驅(qū)動力之外，科學(xué)家們還找到一種趨磁趨氧細(xì)菌(Magnetococcus marinus strain MC-1)，它們可以驅(qū)動納米脂質(zhì)體運(yùn)輸至腫瘤缺氧區(qū)。這一類細(xì)菌會朝著磁場和低氧區(qū)域運(yùn)動。以移植有結(jié)腸癌的小鼠為模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，55%的MC-1細(xì)菌會趨向結(jié)腸腫瘤的缺氧區(qū)域HCT116。這些研究成果表情，微生物的趨磁趨氧特性可以提高藥物在腫瘤缺氧地區(qū)的釋放效率。微生物有望在機(jī)器人藥物運(yùn)輸中“大展身手”。

實(shí)現(xiàn)手術(shù)的精準(zhǔn)操作

手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)展現(xiàn)出減少復(fù)雜外科手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、拓寬外科醫(yī)生能力的優(yōu)勢。這類機(jī)器人有望協(xié)助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更高精度、更靈活和可控性的微創(chuàng)手術(shù)。與大型器械不同的是，微型機(jī)器人配備有高分辨率三維內(nèi)鏡，可以在患者體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，有望突破傳統(tǒng)外科手術(shù)的局限，將微創(chuàng)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜的外科手術(shù)。

從納米鉆頭(nanodrillers)、微型夾鉗(microgrippers)到微型子彈(microbullets)，這些工具的升級為微創(chuàng)手術(shù)提供了獨(dú)特的潛能，它們可以在細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)特定組織的穿透、定位、移除等操作。

此外，磁驅(qū)動微型機(jī)器人在體內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域也展現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景，因?yàn)榇艌隹梢源┩篙^厚的生物組織?？茖W(xué)家們已經(jīng)證實(shí)植入式磁驅(qū)動微型機(jī)器人可以在兔子的眼后段進(jìn)行手術(shù)。

實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)診斷

得益于自主的運(yùn)動性能、簡單的表面功能化以及高效捕獲、分離目標(biāo)物的優(yōu)勢，微型/納米機(jī)器人在疾病精準(zhǔn)診斷上同樣也發(fā)揮著很大的作用。微型/納米級傳感策略依賴于人工馬達(dá)的能動性，借助于攜帶不同的生物受體，機(jī)器人能夠穿過樣本實(shí)現(xiàn)與特定生物分子的即時(shí)互作。借助這一原理，納米機(jī)器人可以識別、隔離體液中的靶向分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、癌細(xì)胞等等。

除了檢測、運(yùn)輸在細(xì)胞外的生物分子，納米機(jī)器人還可以進(jìn)入細(xì)胞，在其內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳感功能。有研究團(tuán)隊(duì)通過給納米機(jī)器人攜帶上熒光標(biāo)記的單鏈DNA探針，實(shí)現(xiàn)其對細(xì)胞內(nèi)microRNA-21分子的檢測。

實(shí)現(xiàn)解毒

除了藥物運(yùn)輸、手術(shù)之外，微型/納米機(jī)器人也可以作為強(qiáng)大的解毒工具。類似于生物傳感，解毒功能依賴于納米機(jī)器人快速捕獲、清除毒素。通過包裹上特定的材料，機(jī)器人可以在體內(nèi)“巡邏”并“抓捕”有毒物質(zhì)。這類機(jī)器人的工作原理類似于天然清理毒素的細(xì)胞，例如血紅細(xì)胞(RBCs)。已有科學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出攜帶有包裹了RBC細(xì)胞膜的鎂微粒的機(jī)器人，研究表明它能夠有效吸收、中和體液中的α-toxin。

此外，也有研究團(tuán)隊(duì)將紅細(xì)胞膜與超聲驅(qū)動的納米機(jī)器人整合在一起，用于清除血液中的成孔毒素。另一種解毒嘗試是構(gòu)建3D版“微型小魚”，這些小魚攜帶聚二乙炔納米粒子，可以吸引并于毒素結(jié)合。

總結(jié)、展望

過去十年，微型/納米機(jī)器人從一個(gè)未知、多功能平臺發(fā)展至集成納米技術(shù)、人工智能等優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)。他們表現(xiàn)出很多獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，包括在生物組織中快速運(yùn)動、定位、長時(shí)間運(yùn)輸、精準(zhǔn)捕獲和隔離目標(biāo)物等等。這些優(yōu)勢促成了它在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，從藥物運(yùn)輸、精準(zhǔn)手術(shù)到細(xì)胞水平靈敏檢測生物分子、高效清除有毒化合物，這意味著納米機(jī)器人有望貫穿疾病診療、預(yù)防的全過程。

當(dāng)然，目前微型/納米機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。發(fā)揮微小機(jī)器人的全部潛能面臨很多未知和挑戰(zhàn)。其中，一個(gè)重大挑戰(zhàn)是篩選到新能源，它需要具備長期自主操作、較好的生物相容性等特性。雖然不同的化學(xué)反應(yīng)和外部刺激可以驅(qū)動微小機(jī)器人的運(yùn)動，但是新的替代燃料和驅(qū)動機(jī)制很有必要，它們有望確保機(jī)器人在體內(nèi)更安全、持續(xù)地運(yùn)行。

未來，微型機(jī)器人會朝著更加智能的方向發(fā)展，具備高流行性、可變形結(jié)構(gòu)、可持續(xù)操作、精準(zhǔn)控制等可能，機(jī)器人之間還有望實(shí)現(xiàn)集群智能合作，甚至于自我進(jìn)化、自我復(fù)制。