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        納米機器人穿梭于眼球

        時間:2022-06-30 15:42:48來源:中國科學報

        導語:?基于以上原因,納米機器人在眼科治療方面的應用一直被寄予厚望:首先,它們的尺寸極小,可以通過直徑微米級的針孔注射到眼內,對眼睛影響小,不需要額外休養,屬于無創治療;其次,納米機器人能夠在眼內玻璃體中自由運動,穿越玻璃體屏障,能夠攜帶藥物到達眼內視網膜靶向區域,被科學家寄予了厚望。

               美國未來學家、谷歌工程總監雷·庫茲韋爾預言說,醫療納米機器人未來將會把人腦和云腦(云計算系統)連接起來,進而提高人類智力和延長人類壽命。

          隨著微納米科學技術的不斷提高,以及交叉科學的進步,微納米機器人研究在近十年內得到了飛速發展。微納米機器人的驅動方式從化學燃料驅動發展為無化學燃料驅動,構筑材料從金屬和人造聚合物拓展到生物相容和可降解材料,研究深度從體外研究深入到體內研究,應用范圍包括藥物運輸、骨骼修復、光熱治療、去除血栓以及毒素清除等等。

          不久前,哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院微納米技術研究中心副教授吳志光與德國馬普智能系統所教授皮爾·菲舍爾(P.Fischer)團隊合作,首次實現了納米機器人在眼睛玻璃體中可控、高效的集群運動,研究成果以《穿梭眼內玻璃體的群體潤滑微型推進器》為題,在線發表于Science Advances上。

          解決眼科治療痛點

          隨著人口老齡化以及越來越多的屏幕出現在日常生活中,眼科疾病的發病率越來越高。但因為人眼內多種血眼屏障的存在,導致常規的藥物遞送方法很難到達眼球后部。

          吳志光向《中國科學報》介紹說,滴藥方法很難穿越晶狀體與玻璃體之間的屏障,血液運輸方法則因為受到血液—視網膜屏障的阻礙,同樣受限。

          “目前業內認為,眼內玻璃體注射藥物方法是效率相對高的方法,但藥物在眼內玻璃體擴散很慢并且沒有靶向性,這些生物屏障導致向眼內視網膜給藥效率很低,并且缺乏靶向性。”吳志光說,手術治療的方法因為要直接作用于眼睛,患者身心皆要承受壓力,并且恢復時間長,影響日常生活。

          基于以上原因,納米機器人在眼科治療方面的應用一直被寄予厚望:首先,它們的尺寸極小,可以通過直徑微米級的針孔注射到眼內,對眼睛影響小,不需要額外休養,屬于無創治療;其次,納米機器人能夠在眼內玻璃體中自由運動,穿越玻璃體屏障,能夠攜帶藥物到達眼內視網膜靶向區域,被科學家寄予了厚望。

          游動自如的眼科納米機器人

          要實現納米機器人在玻璃體的運動并不容易。在宏觀視野下,玻璃體是類似膠狀的粘彈性流體,而在微觀下,玻璃體的主體則是由膠原蛋白為主體骨架,內部嵌入水和透明質酸的三維網格。

          “因此我們設想,如果納米機器人能夠穿越玻璃體的三維網格,那么就有可能實現納米機器人在玻璃體內進行可控運動。”從2016年開始,吳志光和同事一起,針對如何實現納米機器人的眼內運動進行了大量嘗試。最終設計出了一種表面涂覆納米液態潤滑層的螺旋形磁性納米機器人,其直徑僅為500納米。

          吳志光介紹說,這種納米機器人形狀類似納米尺寸的蝌蚪,由尺寸約500納米的球形頭部,以及長度約2微米的螺旋形尾巴組成,頭部與尾巴之間是用于磁驅動的磁性材料。該納米機器人在外源旋轉磁場作用下,可以像細菌一樣,依靠自身旋轉實現前后運動,并且通過對外源磁場的調節來控制納米機器人的運動狀態。

          研究之初,團隊始終無法找到任何一種方法能觀察哪怕一個納米機器人的運動,加上納米級別的機器人尺寸過小,難以了解具體發生了什么情況。最終他們想到了以大見小的方法,從相對簡單和基礎的研究做起,做了很多宏觀尺度看得見的磁性結構以便于觀察。

          吳志光表示,正是對這些宏觀磁性結構在玻璃體中運動行為的觀察,為后來納米機器人能夠在玻璃體中運動提供了經驗。

          新的困難接踵而來。實驗過程中,即使納米機器人的尺寸已經小于玻璃體內三維網格尺寸,但是在玻璃體內仍然無法進行運動。這又是什么原因呢?

          “我們在顯微鏡下觀察發現,玻璃體中的納米機器人在外源旋轉磁場下無法像在純水中那樣做整周旋轉,推測可能是由玻璃體中的生物分子對納米機器人的纏繞造成的。”吳志光說。

          為了解決纏繞問題,研究團隊嘗試了各種修飾方法,試圖使納米機器人擺脫生物分子的纏繞,最終想到借鑒豬籠草液態潤滑界面。仿豬籠草潤滑界面可以使納米機器人擺脫玻璃體內生物分子的纏繞,最終實現納米機器人在玻璃體內的可控運動。

          醫療納米機器人被看好

          該眼科納米機器人已經實現了在真實豬眼球中的可控運動。吳志光介紹說,豬的眼睛在生物組成和尺寸上都非常接近人眼,是理想的研究模型。

          實驗中,研究人員將納米機器人注射到豬眼球內,啟動外源旋轉磁場,使用眼科醫學臨床常用的光學同調斷層掃描(OCT)技術,觀察納米機器人在視網膜上的位置。結果表明,通過外源磁場的控制引導以及光學斷層掃描,可以操縱納米機器人精確富集在眼內視網膜很小的區域,這為以后納米機器人的靶向藥物運輸提供了研究基礎。

          南方醫科大學教授涂盈鋒評價說:“目前,大多數藥物在進入人體后主要通過循環系統擴散到病患區域,這種方式存在藥效低且副作用大等缺點,尤其是面對體內多種生物屏障一直沒有良好的解決辦法。面對這樣的問題,具有自驅動能力的納米機器人被認為可以突破生物屏障,實現主動運輸藥物,將會給生物醫學帶來變革的技術,也因此成為了生物醫療科技領域的重要方向。而這種仿生潤滑眼內游動納米機器人實現納米機器人在眼內的可控運動,可穿越玻璃體抵達視網膜靶向區域且不造成損害,該技術具有廣闊的應用前景。”

          業內專家強調,當前最重要、最迫切的就是納米機器人在醫療領域的應用。但醫療納米機器人目前尚處于研發試驗階段,未能進入臨床實用,許多配套技術有待開發完善。

          以眼科納米機器人為例,吳志光表示,目前的運動方向控制還要靠手動操縱外源磁場完成,研究團隊最近一直在同控制與導航領域的專家合作,希望開發出像自動駕駛汽車那樣的智能化納米機器人。

          納米機器人未來將如何發展?日本東北大學工學部研究員黃曉秋將其發展分為三個階段:“目前研發的納米機器人屬于第一代,是生物系統和機械系統的有機結合體,這代納米機器人可以注入人體血管內,進行健康檢查和疾病治療;第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置,能夠執行復雜的納米級別的任務;第三代納米機器人將包含有強人工智能和納米計算機,是一種可以進行人機對話的智能裝置。”

          納米級技術將不再只是好萊塢大片里超級英雄才能擁有的高科技,而將切實造福人類生活。美國未來學家、谷歌工程總監雷·庫茲韋爾預言說,醫療納米機器人未來將會把人腦和云腦(云計算系統)連接起來,進而提高人類智力和延長人類壽命。2030年,納米機器人就將定居在人體內,隨著血液循環遍布人體,成為人機融合的一部分。

        標簽: 醫療機器人

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