综述：微机器人/微马达在癌症治疗中的应用、进展与实例

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Microrobots/micromotors in Cancer Therapeutics, Advances and Applications

癌症治疗中的微纳机器人技术通过低雷诺数环境实现生物屏障穿透，结合磁、光、超声等推进机制与不对称结构导航，实现精准药物递送、诊疗一体化及多模态协同治疗，推动精准医学发展。

　　

黄和哲|苗玉清|李宇浩

上海科技大学材料与化学学院铋科学研究所，上海肿瘤能量治疗协同创新中心，中国上海200093

摘要

癌症仍然是最具挑战性的疾病之一，因为它具有高死亡率以及缺乏有效的诊断和治疗工具。微机器人技术为肿瘤医学领域带来了革命性的进步。通过利用其微/纳米尺度以及精确的推进和导航能力，它提高了癌症诊断和治疗的准确性和效率。本综述详细探讨了微机器人的运动机制，包括推进和导航方面，并系统总结了其在癌症治疗中的关键应用。微机器人利用气体、磁力、光或超声波等推进机制，并结合不对称形态或生物靶向导航技术，能够穿越复杂的生物屏障（如血脑屏障和黏液屏障），实现抗癌药物的精确输送和可控释放。在诊断和成像领域，微机器人通过携带荧光探针或造影剂，提高了肿瘤检测的灵敏度和深层组织成像的分辨率。此外，当微机器人与光热疗法、声动力疗法或免疫疗法结合使用时，可以增强肿瘤清除效果，并激活免疫反应以抑制转移性病变。最后，本综述展望了微机器人在肿瘤医学中的前景，提出了与新兴技术的潜在合作途径，强调了它们在提高治疗效果和减少副作用方面的巨大潜力。

引言

癌症是一种由遗传和环境因素相互作用引起的恶性疾病。其核心特征是细胞生长调控异常，导致不受控制的增殖和肿瘤形成。[1]这一过程会破坏正常功能，并可通过血液/淋巴系统扩散，形成远处转移[2]，威胁患者健康，影响生活质量并带来经济负担。癌症治疗依赖于手术、放疗和化疗。手术对局部肿瘤效果迅速，但对晚期/转移性病例效果较差。[3]放疗对某些肿瘤有希望，但存在正常组织损伤的风险。[4]化疗对原发/转移性肿瘤有效，但会带来毒性和耐药性问题。[5]近年来，新的非侵入性疗法（如声动力[6]、[7]、[8]、光动力[9]、[10]、[11]和光热疗法[12]、[13]、[14]）显示出前景。然而，靶向和肿瘤穿透仍然存在挑战[15]，这促使人们开发用于肿瘤微环境中引导导航和精准药物输送的微机器人。

微马达强调自主运动能力，可以通过燃料（如H₂O₂、尿素）或环境刺激（如pH值、温度）实现运动，无需外部实时控制。微机器人结合了自主和可控的运动能力，可以通过内部燃料（如化学驱动）实现自主运动，并通过外部磁场、超声波等实现精确控制。在本综述中，“微机器人”是指具有自主运动能力的微/纳米级医疗机器人材料。这项技术通过外部精确引导或主动靶向机制，使微机器人能够有效导航复杂的肿瘤微环境，精确释放抗癌药物，或响应其他治疗方式，从而实现更高效和精确的肿瘤治疗效果。这种肿瘤靶向治疗的范式转变为开发多功能微/纳米机器人奠定了新框架，这些机器人能够克服生物屏障，同时协同多种治疗方式，为精准肿瘤学开辟了新的途径。

本综述首先概述了微机器人技术的发展历史和特点，然后分析了其在肿瘤微环境中的运动特性。接着，从新的角度系统分析了微机器人的推进和导航方法，并重点关注其在癌症治疗各个领域的应用，包括诊断和检测、成像、药物输送和释放以及联合疗法（图1）。最后，综述展望了微机器人在癌症医学中的未来发展前景。

部分内容

低雷诺数下的运动

雷诺数是一个无量纲数，用于表征流体的流动特性，它是流体中惯性力与粘性力的比值。其计算公式如下：

$Re=\frac{\rho uL}{\mu }$

其中Re是雷诺数，ρ是密度，u是特征速度，L是特征长度，μ是动态粘度系数。[16]

雷诺数的大小决定了流体的流动状态和特性。具体来说，当

微机器人的驱动

微机器人的设计重点在于在低雷诺数环境中实现连续、有效的推进，尤其是在复杂的生物介质中。采用的关键机制包括气体驱动（通过化学燃料产生的气泡动力）、非接触式外部场（磁力、超声波、光，实现精确控制）以及利用生物/生化过程的化学生物混合技术。为了应对复杂环境，人们正在积极探索组合驱动模式。

微机器人的导航

除了推进设计外，精确的微机器人引导至关重要。策略包括创建用于方向运动的不对称结构或利用物理场进行轨迹控制。这种引导技术提高了肿瘤治疗的效果，同时减少了传统副作用。它通过精确定位将治疗剂直接输送到肿瘤处，随后的局部高浓度释放减少了健康组织的损伤和全身药物影响。

微机器人在癌症领域的应用

微机器人技术作为纳米技术和现代医学的杰出结合，在癌症诊断、治疗和成像领域展现了前所未有的潜力。其独特的尺寸优势、精确的操作能力和实时监测功能为癌症治疗的精准医疗开辟了新的途径。

结论

微机器人在肿瘤医学中展现出巨大潜力。它们在微/纳米尺度上运行，能够在低雷诺数环境中导航，克服生物屏障，提高组织穿透性，实现精确的抗癌药物输送。此外，它们还能响应辅助疗法并执行诊断功能，促进高效肿瘤清除。在癌症诊断中，微机器人可以穿透组织，精确识别癌细胞，实现早期检测，并监测生物过程。

利益冲突

没有需要声明的利益冲突。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

CRediT作者贡献声明

黄和哲：撰写——原始草稿、研究、概念构思。苗玉清：监督。李宇浩：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。

未引用的参考文献

[17]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了上海自然科学基金（24ZR1453600）的支持。