近日，位于德國(guó)斯圖加特的馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的研究團(tuán)隊(duì)從白細(xì)胞中得到靈感，研發(fā)了一款可攜帶藥物進(jìn)入血管的微型機(jī)器人。該機(jī)器人的直徑在3～7.8微米，相比之下，人類紅細(xì)胞的直徑為8微米。工作時(shí)，該機(jī)器人進(jìn)入癌癥病人的血管，逆著血液流動(dòng)方向移動(dòng)，每秒可以移動(dòng)600微米。找到癌細(xì)胞后，在特定的紫外線刺激下，機(jī)器人可以釋放藥物。

這項(xiàng)研究發(fā)表在機(jī)器人期刊《Science Robotics》上，論文標(biāo)題為《在血液流動(dòng)中靶向運(yùn)輸?shù)亩喙δ鼙砻嫖⑿蜐L筒(Multifunctional Surface microrollers for targeted cargo delivery in physiological blood flo)》。

論文鏈接：

https://robotics.sciencemag.org/content/5/42/eaba5726

一、機(jī)器人模仿白細(xì)胞：沿著血管壁移動(dòng)，識(shí)別出特定細(xì)胞

在之前的醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，微型機(jī)器人只能進(jìn)入消化道、腹膜腔等器官中，幫助生成醫(yī)學(xué)影像。人們一直設(shè)想能把微型機(jī)器人放入人體循環(huán)系統(tǒng)，使其精準(zhǔn)地定位病灶，靶向投放藥物。但實(shí)際上，這一設(shè)想很難實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)檠軆?nèi)的物理環(huán)境比較復(fù)雜，不利于機(jī)器人的移動(dòng)。

血液流動(dòng)會(huì)造成密集的非均質(zhì)流體環(huán)境，而能進(jìn)入血管的微型機(jī)器人直徑一般小于10微米、在復(fù)雜流體環(huán)境中難以保持推進(jìn)力。

根據(jù)論文，白細(xì)胞是唯一能夠沿著血管內(nèi)壁移動(dòng)的細(xì)胞。馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的研究人員仔細(xì)觀察了白細(xì)胞在血管中的運(yùn)動(dòng)方式，發(fā)現(xiàn)了白細(xì)胞能夠在血管中“逆流而上”的原因。

他們發(fā)現(xiàn)，相比于在血管中心處的血液流速，血管壁處的血液流速較低，白細(xì)胞沿著血管壁移動(dòng)、受到的阻力較小。

白細(xì)胞的另一個(gè)特性是能夠以高時(shí)空分辨率識(shí)別和清除受損或被感染的組織。這是因?yàn)榘准?xì)胞上存在“識(shí)別部分”，可以識(shí)別出內(nèi)皮細(xì)胞。當(dāng)識(shí)別出受損或被感染的組織細(xì)胞后，白細(xì)胞會(huì)與它們結(jié)合。

研究人員仿照白細(xì)胞的移動(dòng)方式，設(shè)計(jì)出一款可以沿著細(xì)胞壁移動(dòng)、并識(shí)別出特定細(xì)胞的機(jī)器人。

二、球形機(jī)器人用磁力驅(qū)動(dòng)，1秒能走600微米

在本項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)球形的微型機(jī)器人，該機(jī)器人用玻璃微粒制成，直徑在3～7.8微米之間。機(jī)器人外表一分為二，涂上不同材料：

微型機(jī)器人表面一半被鎳和金制成的磁性納米薄膜覆蓋，利用磁力獲得推進(jìn)力，每秒可以移動(dòng)600微米，相當(dāng)于76個(gè)機(jī)器人體長(zhǎng)!另一半涂有抗癌藥物和能識(shí)別癌細(xì)胞的分子，可以定位癌細(xì)胞并精準(zhǔn)投放藥物。

研究人員設(shè)計(jì)用紫外線觸發(fā)機(jī)器人釋放藥物。用365nm的紫外線照射30s后，藥物會(huì)從微型機(jī)器人中釋放出來(lái)。

本項(xiàng)研究選用乳腺癌靶向藥分子DOX分子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在DOX分子用熒光信號(hào)做標(biāo)記，以便判斷藥物是否被釋放出來(lái)。

三、微型機(jī)器人在模擬血管中輕松移動(dòng)

設(shè)計(jì)好機(jī)器人后，研究人員進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其性能。

首先，研究人員用人體內(nèi)皮細(xì)胞合成管道模擬血管，在其中注入老鼠CD1全血液。然后，研究人員把微型機(jī)器人放入這條血管中。

測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)血液不流動(dòng)時(shí)，微型機(jī)器人在血液中的推動(dòng)、導(dǎo)航都十分輕松。研究人員進(jìn)一步模擬了微型機(jī)器人在血液流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。結(jié)果顯示，這兩款微型機(jī)器人均能在血管中向血液上游移動(dòng)。

在血流流動(dòng)力為1.2dyn/cm2的情況下，鎳涂層厚度為480nm的微型機(jī)器人移動(dòng)速度達(dá)到55.5±20.8μm/s，涂層厚度2微米的機(jī)器人移動(dòng)速度達(dá)到156.7±36.6μm/s。

關(guān)鍵詞： 抗癌機(jī)器人