这款抗癌机器人能在血管里跑酷!直径小至3微米,每秒移动600微米

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 董温淑

智东西525日消息,近日,位于德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所的研究团队从白细胞中得到灵感,研发了一款可携带药物进入血管的微型机器人

该机器人的直径在37.8微米,相比之下,人类红细胞的直径为8微米。工作时,该机器人进入癌症病人的血管,逆着血液流动方向移动,每秒可以移动600微米。找到癌细胞后,在特定的紫外线刺激下,机器人可以释放药物。

这项研究发表在机器人期刊《Science Robotics》上,论文标题为《在血液流动中靶向运输的多功能表面微型滚筒(Multifunctional surface microrollers for targeted cargo delivery in physiological blood flo)》。

论文链接:
https://robotics.sciencemag.org/content/5/42/eaba5726

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一、机器人模仿白细胞:沿着血管壁移动,识别出特定细胞

在之前的医学实践中,微型机器人只能进入消化道、腹膜腔等器官中,帮助生成医学影像。人们一直设想能把微型机器人放入人体循环系统,使其精准地定位病灶,靶向投放药物。但实际上,这一设想很难实现,这是因为血管内的物理环境比较复杂,不利于机器人的移动。

血液流动会造成密集的非均质流体环境,而能进入血管的微型机器人直径一般小于10微米、在复杂流体环境中难以保持推进力。

根据论文,白细胞是唯一能够沿着血管内壁移动的细胞。马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员仔细观察了白细胞在血管中的运动方式,发现了白细胞能够在血管中逆流而上的原因。

他们发现,相比于在血管中心处的血液流速,血管壁处的血液流速较低,白细胞沿着血管壁移动、受到的阻力较小。

白细胞的另一个特性是能够以高时空分辨率识别和清除受损或被感染的组织。这是因为白细胞上存在识别部分,可以识别出内皮细胞。当识别出受损或被感染的组织细胞后,白细胞会与它们结合。

研究人员仿照白细胞的移动方式,设计出一款可以沿着细胞壁移动、并识别出特定细胞的机器人。

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二、球形机器人用磁力驱动,1秒能走600微米

在本项研究中,研究人员设计了一个球形的微型机器人,该机器人用玻璃微粒制成,直径在37.8微米之间。机器人外表一分为二,涂上不同材料:

微型机器人表面一半被镍和金制成的磁性纳米薄膜覆盖,利用磁力获得推进力,每秒可以移动600微米,相当于76个机器人体长!另一半涂有抗癌药物和能识别癌细胞的分子,可以定位癌细胞并精准投放药物。

研究人员设计用紫外线触发机器人释放药物。用365nm的紫外线照射30s后,药物会从微型机器人中释放出来。

本项研究选用乳腺癌靶向药分子DOX分子进行实验,在DOX分子用荧光信号做标记,以便判断药物是否被释放出来。

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三、微型机器人在模拟血管中轻松移动

设计好机器人后,研究人员进行一个实验测试其性能。

首先,研究人员用人体内皮细胞合成管道模拟血管,在其中注入老鼠CD1全血液。然后,研究人员把微型机器人放入这条血管中。

测试结果显示,当血液不流动时,微型机器人在血液中的推动、导航都十分轻松。研究人员进一步模拟了微型机器人在血液流动时的运动情况。结果显示,这两款微型机器人均能在血管中向血液上游移动。

在血流流动力为1.2dyn/cm2的情况下,镍涂层厚度为480nm的微型机器人移动速度达到55.5±20.8μm/s,涂层厚度2微米的机器人移动速度达到156.7±36.6μm/s

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结语:下一步将研发可降解机器人

马克斯·普朗克智能系统研究所的研究团队从白细胞中得到灵感,研发了出可携带药物的微型机器人。

接下来,研究人员将继续进行技术攻关。根据论文,研究人员首先计划在动物身上测试这种机器人。其次,研究人员将尝试采用其他方法来触发药物释放过程,比如用加热或近红外光。另外,研究人员将尝试用可降解材料制作机器人,使其能够在几周或几个月内在人体中分解。

未来,微型机器人或可成为根治癌症的“灵丹妙药”,让我们拭目以待。

文章来源:Science RoboticsNewScientist