在國(guó)內(nèi)外首次研制出多款微納機(jī)器人，憑籍自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，穿越多道生物屏障的障礙和阻隔，將藥物送到眼球底部或腦組織深處，使青光眼、癲癇、腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤、中風(fēng)偏癱等棘手醫(yī)療難題有望獲得解決。如今，這些貌似神話的情景，正一步步變成現(xiàn)實(shí)。
由哈爾濱工業(yè)大學(xué)微納米技術(shù)研究中心賀強(qiáng)教授及團(tuán)隊(duì)骨干成員吳志光教授等人完成的一系列科研項(xiàng)目，迄今累計(jì)被《科學(xué)機(jī)器人》、《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》、《先進(jìn)功能材料》、《麻省理工科技評(píng)論》、《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》等20余家國(guó)際期刊刊用，最高影響因子27.4分，由此奠定了我國(guó)科學(xué)家在海內(nèi)外醫(yī)用納米機(jī)器人研究的領(lǐng)軍位置。
據(jù)專家介紹，常規(guī)的藥物遞送如打針、吃藥、靜點(diǎn)等，都是藥物分子或載體在血液等流體中擴(kuò)散進(jìn)行的，這些藥物分子或載體隨血流等生物流體而擴(kuò)散，遞送效率低下，且毒副反應(yīng)比較重。有學(xué)者對(duì)最近30年以來的藥物遞送方式做出了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)遞送約12小時(shí)后，到達(dá)“旅程”終點(diǎn)的藥物還不到1%。這意味著絕大部分藥物已在“郵路”上丟失了。因此，如何構(gòu)建新型主動(dòng)藥物運(yùn)輸?shù)?ldquo;渠道”，成了學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)和關(guān)切。
1966年，有部國(guó)外電影《奇幻旅程》，描述了一名醫(yī)學(xué)科學(xué)家身患重疾，為了生存，不得不做出一個(gè)冒險(xiǎn)決定——將他的5名同事極度縮小到納米尺寸，注射進(jìn)自己的體內(nèi)，直接“游”到病灶區(qū)域替他治療。實(shí)際上，人們借助這個(gè)虛幻故事，一直夢(mèng)想創(chuàng)造發(fā)明一種主動(dòng)的游動(dòng)納米機(jī)器人，裝載好藥物在人體內(nèi)展開“自由泳”，最后直達(dá)病變部位發(fā)揮藥效。
讓人欣喜的是，自 2004 年起，業(yè)內(nèi)就已經(jīng)逐步發(fā)展、涌現(xiàn)出了多種化學(xué)和外物理場(chǎng)(光電磁熱等)驅(qū)動(dòng)的游動(dòng)微納米機(jī)器人，這些機(jī)器人可在水中高效游動(dòng)，但人體內(nèi)環(huán)境非常復(fù)雜，不僅僅存在水分，尤其是身體中還有血腦屏障、血眼屏障等多種生物屏障，這些生物屏障在保護(hù)人體免遭外源細(xì)菌和病毒侵入的同時(shí)，也妨礙了機(jī)器人向病患區(qū)域精準(zhǔn)投送藥物。
中國(guó)微米微納米技術(shù)學(xué)會(huì)微納執(zhí)行器與微系統(tǒng)分會(huì)理事、哈工大博士生指導(dǎo)導(dǎo)師吳志光教授介紹說，早期游動(dòng)微納米機(jī)器人，基本都是基于微機(jī)電系統(tǒng)等構(gòu)件，自身材料主要由金屬、金屬氧化物及人造聚合物構(gòu)成。可以想象，這樣的微納機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)后，首先不能被降解，因而具有很大的危險(xiǎn)性;其次，這些金屬物和聚合物是人體外源物質(zhì)，生物相容性較差，一旦進(jìn)入體內(nèi)就會(huì)觸發(fā)免疫系統(tǒng)的“警報(bào)”，受到免疫細(xì)胞的圍剿，致使“出師未捷身先死”， 還沒來得及開展生物醫(yī)學(xué)工作，就已經(jīng)被人體免疫系統(tǒng)“絞殺”了。
“研發(fā)微納尺寸機(jī)器人首先要解決的是驅(qū)動(dòng)問題，許多宏觀世界的驅(qū)動(dòng)方法在微觀世界里卻難以實(shí)現(xiàn)。”吳志光教授打個(gè)比方說：“比如你躺在浴缸里，感覺浴缸里都是水，可以浮動(dòng)。如濃縮成納米尺度，你身邊就不是水，而是一種非常濃稠的‘糖漿’，所以你無法打破時(shí)間對(duì)稱性，就會(huì)被束縛住，動(dòng)彈不得。”
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界有很多微納米尺度的東西能夠自主游動(dòng)，猶如“一天到晚游泳的魚”，比如分子馬達(dá)、生物馬達(dá)，還有細(xì)菌、精子等，通過擺動(dòng)過程中產(chǎn)生的不對(duì)稱的區(qū)域流體場(chǎng)向前運(yùn)動(dòng)?；谶@個(gè)原理，很多人開始提出了一系列游動(dòng)微納米機(jī)器人，并引入生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。而早在2010年，賀強(qiáng)教授就在哈工大組建了首個(gè)游動(dòng)納米機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在他的頂層設(shè)計(jì)下，吳志光及同事應(yīng)用化學(xué)方法，首次將原子組裝成微納米的結(jié)構(gòu)，在化學(xué)場(chǎng)或外光、磁場(chǎng)下成功實(shí)行了可控游動(dòng)，甚至直接引導(dǎo)志目標(biāo)細(xì)胞。
“然而，這些微納機(jī)器人今后要想在臨床中轉(zhuǎn)化應(yīng)用，有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)是繞不開的。”吳志光教授解釋說，首先微納機(jī)器人需要能夠在復(fù)雜的人體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。“這里面大致分為三類，一是主動(dòng)打破細(xì)胞膜，二是讓它們?cè)谘褐羞\(yùn)轉(zhuǎn)起來，三是在眼內(nèi)玻璃體和胃腸道黏液等多孔生物流體中流動(dòng)。”為此，吳志光團(tuán)隊(duì)開動(dòng)腦筋，首次將微納米機(jī)器人偽裝成天然細(xì)胞，從而“騙過”了免疫系統(tǒng)的打擊。
同時(shí)，在逆血流游動(dòng)時(shí)，流速對(duì)微納米機(jī)器人有較大影響。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，自然界有很多動(dòng)物和微生物在流體的環(huán)境下生存，為了更好地適應(yīng)流動(dòng)性的環(huán)境，這些生命往往選擇貼近基底運(yùn)動(dòng)。受此啟發(fā)，賀強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研創(chuàng)了兩種可以沿著基底運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)微納米機(jī)器人，以及一款尺寸比生物水凝膠孔徑更小的機(jī)器人，后者可在眼淚玻璃體中自由穿梭。這種機(jī)器人表面有一個(gè)潤(rùn)滑層的微納米器，其頭部呈螺旋形結(jié)構(gòu)，可控制運(yùn)動(dòng)方向和速度，精確度約在9平方毫米范圍內(nèi)，達(dá)到了目前常規(guī)的眼科藥物載體無法企及的水平。
另一個(gè)問題就是流動(dòng)微納米機(jī)器人的成像和控制。吳志光解釋說：“納米機(jī)器人的尺寸較小，一般比常規(guī)的成像分辨率低很多，而且和生物組織的對(duì)比度不足。”團(tuán)隊(duì)通過包裹機(jī)器人，使外觀尺寸成像分辨率得以增大;同時(shí)借助動(dòng)作分離方法，提取并掌控完全來自于游動(dòng)微納米機(jī)器人的動(dòng)作行為，將其與生物組織進(jìn)行區(qū)分，最終完成了對(duì)流動(dòng)微納機(jī)器人的實(shí)時(shí)成像和準(zhǔn)確操控。迄今為止，科研團(tuán)隊(duì)率先運(yùn)用可控化學(xué)組裝設(shè)計(jì)并合成了不同尺寸、結(jié)構(gòu)和功能的微納米機(jī)器人，闡明了低雷諾數(shù)下機(jī)器人自推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)效關(guān)系、為游動(dòng)微納米機(jī)器人在生物醫(yī)療等領(lǐng)域取得了階段性成果。
在這些重要成果中，賀強(qiáng)團(tuán)隊(duì)首次研制了有效且穩(wěn)定地?cái)y帶紫杉醇等抗癌藥物的機(jī)器人，依靠自主研發(fā)的控制系統(tǒng)，突破血腦屏障和血腫屏障，將藥物送入腦部病變深處，顯著增強(qiáng)了紫杉醇的濃度及靶向效率，使腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤的頑固“堡壘”從內(nèi)部被瓦解成為可能。而由吳志光教授參與的國(guó)際合作課題“一群光滑的微型螺旋機(jī)器人穿過眼睛的玻璃體”，利用納米級(jí)3D打印技術(shù)制作的機(jī)器人“小蝌蚪”，成功地“游入”實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的眼球，不到30分鐘內(nèi)，就已“搶灘登陸”視網(wǎng)膜，比相似大小的藥物顆粒通過眼睛的速度快了10倍，為未來青光眼、黃斑水腫、白內(nèi)障的治療趟出了一條新路?！犊茖W(xué)》、《自然》等多家著名學(xué)術(shù)媒體紛紛報(bào)道了他們的工作進(jìn)展，并給予高度評(píng)價(jià)。
展望未來，納米級(jí)技術(shù)不再只是好萊塢大片里超級(jí)英雄才能擁有的酷炫高科技，而將切實(shí)地造福人類生活。美國(guó)未來學(xué)家、谷歌工程總監(jiān)雷·庫(kù)茲韋爾預(yù)言說：今后，醫(yī)療納米機(jī)器人有望把人腦和云腦(云計(jì)算系統(tǒng))連接起來，進(jìn)而提高人類智力和延長(zhǎng)人類壽命。2030年，納米機(jī)器人將會(huì)定居在人體內(nèi)，隨著血液循環(huán)遍布人體，演進(jìn)成“人機(jī)融合”的一部分。“前景美好，未來可期!”賀強(qiáng)教授表示，在科學(xué)家面前，日后的探索之路還很漫長(zhǎng)，畢竟生物醫(yī)療器械或藥物要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的多期臨床實(shí)驗(yàn)和觀察才能開花結(jié)果，因此要經(jīng)得起失敗，耐得住寂寞。(通訊員 衣曉峰 記者 李麗云)
