《科学机器人》：用于靶向药物输送的微型机器人

由加州理工学院的高伟（音译）领导的一个跨学科研究小组发明了一种微小的气泡状微型机器人，可以在需要的地方运送治疗药物，然后被身体吸收。

　　

在未来，将治疗药物准确地运送到体内需要的地方可能是微型机器人的任务。不是小型的金属人形机器人，甚至是仿生机器人；而不是像气泡一样的小球体。

这样的机器人将有一长串具有挑战性的要求。例如，它们需要在体液中存活，如胃酸，并且是可控的，这样它们就可以精确地定向到目标部位。它们还必须只有在到达目标时才释放医疗货物，然后才能被人体吸收而不造成伤害。

现在，一个由加州理工学院领导的团队已经开发出了满足所有这些要求的微型机器人。利用机器人，该团队成功地提供了减少小鼠膀胱肿瘤大小的治疗方法。一篇描述这项工作的论文发表在《科学机器人》杂志上。

“我们设计了一个可以解决所有这些问题的单一平台，”加州理工学院医学工程学教授、传统医学研究所研究员Wei Gao说，他也是这篇关于机器人的新论文的共同通讯作者，该团队将其称为生物可吸收声学微型机器人（BAM）。

Wei Gao说：“现在我们可以直接引导微型机器人到达肿瘤部位，并以一种可控和有效的方式释放药物，而不是将药物放入体内并让其扩散到各处。”

微型或纳米机器人的概念并不新鲜。在过去的二十年里，人们一直在开发这样的版本。然而，到目前为止，它们在生命系统中的应用受到限制，因为在复杂的生物流体（如血液、尿液或唾液）中精确移动物体极具挑战性，高说。机器人还必须具有生物相容性和生物可吸收性，这意味着它们不会在体内留下任何有毒物质。

加州理工学院开发的微型机器人是由一种叫做聚乙二醇二丙烯酸酯的水凝胶制成的球形微结构。水凝胶是一种材料，最初是液体或树脂形式，当其中的聚合物网络交联或变硬时，就会变成固体。这种结构和组成使水凝胶能够保留大量的液体，使许多水凝胶具有生物相容性。所述增材制造制造方法还使所述外球体能够将所述治疗货物运送到所述体内的目标部位。

为了开发水凝胶配方并制造微结构，Wei Gao求助于加州理工学院的朱莉娅·r·格里尔，她也是这篇论文的共同通讯作者。Greer的团队在双光子聚合（TPP）光刻技术方面拥有专业知识，这种技术使用极快的红外激光脉冲，以非常精确的方式根据特定的模式选择性地交联光敏聚合物。该技术允许一层一层地构建结构，以一种让人想起3D打印机的方式，但在这种情况下，具有更高的精度和形状复杂性。

格里尔的团队成功地“书写”或打印出了直径约为30微米的微结构——大约是人类头发的直径。

“这个特殊的形状，这个球体，写起来非常复杂，”格里尔说。“你必须知道一些诀窍，才能防止球体自己塌下来。我们不仅能够合成包含所有生物功能和所有医学必需元素的树脂，而且我们能够将它们写在具有必要腔的精确球形中。”

在它们的最终形态中，微型机器人在球体的外部结构中加入了磁性纳米颗粒和治疗药物。磁性纳米颗粒允许科学家利用外部磁场将机器人引导到期望的位置。当机器人到达目标时，它们会停留在那里，药物会被动地扩散出去。

Wei Gao和他的同事们设计的微观结构的外部是亲水的——也就是说，被水吸引——这确保了单个机器人在穿过人体时不会聚集在一起。然而，微型机器人的内表面不能是亲水的，因为它需要捕获一个气泡，而气泡很容易崩溃或溶解。

为了构建外部亲水、内部疏水的混合微型机器人，研究人员设计了两步化学修饰。首先，他们将长链碳分子附着在水凝胶上，使整个结构疏水。然后，研究人员使用一种称为氧等离子体蚀刻的技术，从内部去除一些长链碳结构，留下外部疏水和内部亲水。

“这是这个项目的关键创新之一，这种不对称的表面修饰，内部是疏水的，外部是亲水的，确实允许我们使用许多机器人，并且仍然可以在生物流体（如尿液或血清）中长时间捕获气泡。”

事实上，研究小组表明，这种治疗方法可以使气泡持续数天，而其他方法可能只持续几分钟。

被困气泡的存在对于机器人的移动和实时成像的跟踪也是至关重要的。例如，为了实现推进，该团队设计的微型机器人球体有两个圆柱体状的开口——一个在顶部，另一个在一侧。当机器人暴露在超声波场中时，气泡会振动，导致周围的液体从开口流出，推动机器人穿过液体。Gao的团队发现，使用两个开口不仅使机器人能够在各种粘性生物流体中移动，而且比使用单个开口的速度更快。

在每个微观结构中都有一个鸡蛋状的气泡，作为一种优秀的超声成像造影剂，可以实时监测机器人的体内情况。在超声成像专家米哈伊尔·夏皮罗的帮助下，研究小组开发了一种跟踪微型机器人移动到目标的方法。

开发的最后阶段包括测试微型机器人作为膀胱肿瘤小鼠的药物输送工具。研究人员发现，在21天的过程中，由微型机器人提供的四次治疗比没有由机器人提供的治疗更有效地缩小肿瘤。

“我们认为这是一个非常有前途的药物输送和精确手术平台，展望未来，我们可以评估使用这个机器人作为平台，为不同的条件提供不同类型的治疗有效载荷或药物。从长远来看，我们希望在人类身上进行测试。”