自1966年的好萊塢電影《神奇旅程》（FantasticVoyage）以來，研發(fā)可以在體內(nèi)導航并治愈疾病的微型機器人，就一直是科學家和工程師的夢想。過去十年中，世界各地的研究人員開發(fā)了許多自主移動的磁性微納米機器人，可以通過外界的磁場控制在三維環(huán)境中游動，并且在功能性上也有了很大的發(fā)展。
1966年好萊塢電影《神奇旅程》(FantasticVoyage)
然而，由于這些微納米機器人的運動速度相對較低，且非常依賴周圍的流場環(huán)境和邊界，需要集成準確的跟蹤定位系統(tǒng)、強大的磁性驅(qū)動，以及復雜的控制算法。
受生物細胞內(nèi)蛋白馬達沿著細胞微管運動的啟發(fā)，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院和賓夕法尼亞大學的研究團隊研發(fā)了磁性的人工微管，可在復雜的體內(nèi)環(huán)境里快速可靠地傳輸磁性微納米機器人，未來還可能通過微血管，實現(xiàn)早期腫瘤更準確的藥物遞送。該研究結(jié)果于2022年7月21日在線發(fā)表在NatureMachineIntelligence雜志上。
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“將微納米機器人沿著血管逆流而上遞送到腫瘤的位置，是一件可實現(xiàn)，但極其困難的事情。”文章的第一作者和通訊作者顧紅日解釋道，“就好比是控制四旋翼無人機在暴風雨中將快遞送到遙遠的村莊，但整個規(guī)?？s小幾千倍。”
在現(xiàn)有的微創(chuàng)治療中，醫(yī)用導管是最穩(wěn)定可靠的遞送方案，藥物可以通過一個封閉的管道到達指定位置。然而到目前為止，這種封閉的傳輸方案依然很難微型化。在小尺度下，流體的粘滯阻力影響非常顯著，藥物沒有辦法從導管中擠出。
為了克服這些障礙，顧紅日及其同事從生物學中尋找靈感：“微管是細胞骨架的一部分，它使用蛋白馬達將囊泡運輸?shù)郊毎械牟煌恢?。這些蛋白馬達并不需要一個封閉的環(huán)境，他們通過和微管的相互作用，沿著微管一步一步前進。我們也試圖通過設計磁性的人工微管和磁性的微納米機器人，復制相似的傳輸過程。”
細胞微管的主動傳輸（左）和人工微管（右）|團隊供圖
人工微管并沒有管狀的結(jié)構(gòu)，而是實心的纖維，內(nèi)嵌了許多小磁體。雖然它只有80微米寬，但可以有幾厘米長，像一根頭發(fā)絲一樣。通過施加旋轉(zhuǎn)磁場，磁性微納米機器人可以與小磁體相互作用，利用磁力有效的前進。與現(xiàn)有技術相比，該微納米機器人系統(tǒng)在同樣的驅(qū)動頻率下，行動速度快了大概一個數(shù)量級。
研究人員發(fā)現(xiàn)，人工微管可以有效地逆流而上，甚至在比水粘一千倍的甘油中也可以快速移動。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)了一種“集群運動模式”：微小的磁性顆?？梢酝ㄟ^自組織，變成大型的顆粒簇，通過粒子相互作用，更加快速高效地沿著人工微管移動。
磁性顆粒在人工微管上的自主裝和團簇|團隊供圖
研究團隊也描述了未來，該人工微管在微血管網(wǎng)絡中可能實際應用的場景。首先，將直徑約0.5毫米的微導管插入可到達的血管末端；然后將直徑0.05毫米人工微管沿導管推出，借助外加磁場，將其引導至通往目標腫瘤的小血管分支處；微納米載藥機器人在磁性驅(qū)動下，沿著人工微管一路到達目標腫瘤，最終實現(xiàn)給藥。與自由游動的微納米機器人相比，微型機器人沿人工微管的運輸將會速度更快，也更可靠。
體內(nèi)磁性微納米機器人盡管在成像、材料、驅(qū)動、控制和導航方面取得了諸多進步，但由于人體環(huán)境高度復雜，這些過程目前可靠程度仍然較低，因此實際應用仍然非常具有挑戰(zhàn)性。通過引入人工微管，研究團隊相信，這些“微型機器人的微型高速公路”可以結(jié)合已有的微型導管和導航技術，幫助現(xiàn)有的磁性微納米機器人，讓未來的精準醫(yī)療更進一步。
