視覺(jué)中國供圖

　　自然界有很多微納米尺度的東西能夠隨意遨游，比如分子馬達、生物馬達，還有細菌、精子等，能借助擺動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不對稱(chēng)的區域流體場(chǎng)向前運動(dòng)?；谶@個(gè)原理，研究人員設計了一系列游動(dòng)微納米機器人，并引入生物醫學(xué)研究領(lǐng)域。

　　多款微納米載藥機器人憑借自推進(jìn)運動(dòng)，穿越多道生物屏障的阻隔，將藥物送到眼球底部或腦組織深處，使青光眼、癲癇、腦膠質(zhì)細胞瘤、中風(fēng)偏癱等棘手的醫療難題得到解決。隨著(zhù)研究的深入，哈爾濱工業(yè)大學(xué)微納米技術(shù)研究中心的研究人員正在將這些貌似科幻的情景，一步步變成現實(shí)。

　　記者4月19日從哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)哈工大）獲悉，該校微納米技術(shù)研究中心教授賀強、吳志光課題組完成的研究論文《雙響應生物雜化中性粒細胞機器人用于主動(dòng)靶向遞送》，近日在國際《科學(xué)機器人》雜志在線(xiàn)發(fā)表。在此之前，該課題組自主研發(fā)的一系列游動(dòng)微納米機器人科研項目成果，還先后刊發(fā)在《德國應用化學(xué)》《先進(jìn)功能材料》《麻省理工科技評論》《美國化學(xué)會(huì )雜志》等20余家國際期刊上，最高影響因子達27.4分，奠定了我國科學(xué)家在海內外醫用納米機器人研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍位置。

　　構建藥物主動(dòng)運輸渠道成業(yè)界熱點(diǎn)

　　據介紹，常規的藥物遞送如打針、吃藥、輸液等方式，都是靠藥物分子或載體在血液中擴散進(jìn)行的，導致遞送效率低下。有學(xué)者對近30年以來(lái)的藥物遞送做出了統計，發(fā)現采用傳統遞送方式輸送藥物約12小時(shí)后，到達目標位置的藥物還不到1%。這意味著(zhù)絕大部分藥物已在路上丟失了。因此，構建新型藥物主動(dòng)運輸渠道，成了業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

　　1966年，一部名為《奇幻旅程》的外國電影，描述了一名醫學(xué)家身患重疾，為了生存，他不得不做出一個(gè)冒險的決定——將他的5名同事縮小到納米尺寸，注射進(jìn)自己的體內，讓他們直接“游”到病灶區域替他診療。受這個(gè)虛幻故事的啟發(fā)，科研人員一直夢(mèng)想著(zhù)創(chuàng )造發(fā)明出一種能自主游動(dòng)的納米機器人，把藥物裝載在機器人身上，讓機器人在人體內展開(kāi)“自由泳”，最后直達病變部位發(fā)揮藥效。

　　追溯歷史，最早提出微納機器想法的是諾貝爾獎得主、理論物理學(xué)家理查德·費恩曼。他在1959年就曾設想通過(guò)原子或分子來(lái)構建微納米尺度的微納機器。費恩曼在一次題為“在物質(zhì)底層有大量的空間”的演講中描繪說(shuō)，將來(lái)人類(lèi)有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至單個(gè)的原子作為建筑構件在非常細小的空間構建物質(zhì)。這無(wú)疑是化學(xué)家和生物學(xué)家意欲達到的理想彼岸。

　　讓人欣喜的是，自2004年起，業(yè)內就已經(jīng)涌現出了多種化學(xué)和外物理場(chǎng)（如光電磁熱等）驅動(dòng)的游動(dòng)微納米機器人，這些機器人可在水中高效游走。但人體內環(huán)境非常復雜，尤其是身體中還存在血腦屏障、血眼屏障等多種生物屏障，這些生物屏障在保護人體免遭外源細菌和病毒侵入的同時(shí)，也會(huì )妨礙這些機器人向病患區域精準投送藥物。

　　原子組裝的“游泳健將”能騙過(guò)免疫系統

　　中國微米微納米技術(shù)學(xué)會(huì )微納執行器與微系統分會(huì )理事、哈工大博士生導師吳志光教授介紹說(shuō)，早期游動(dòng)微納米機器人基本都是由微機電系統等構件組成，自身材料主要是金屬、金屬氧化物及人造聚合物。這樣的微納米機器人進(jìn)入體內后，首先不能被降解，因而具有很大的危險性；其次，這些金屬和金屬聚合物是人體外源物質(zhì)，生物相容性差，一旦進(jìn)入體內就會(huì )觸發(fā)免疫系統的“警報”，進(jìn)而受到免疫細胞的圍剿，致使“出師未捷身先死”，還未抵達病灶，可能就已經(jīng)被人體免疫系統“絞殺”了。為此，吳志光團隊開(kāi)動(dòng)腦筋，首次將微納米機器人偽裝成天然細胞，騙過(guò)免疫系統的甄別。

　　此外，“研發(fā)微納尺寸機器人首先要解決的是驅動(dòng)問(wèn)題，許多宏觀(guān)世界的驅動(dòng)方法在微觀(guān)世界里卻難以實(shí)現?！眳侵竟庹f(shuō)，“人如果躺在滿(mǎn)是水的浴缸里，是可以浮起來(lái)的。但如果將人濃縮成納米尺度，水給人的感覺(jué)就像是一種非常濃稠的糖漿，讓人動(dòng)彈不得?！?/p>

　　科學(xué)家發(fā)現，自然界有很多微納米尺度的東西能夠隨意遨游，比如分子馬達、生物馬達，還有細菌、精子等，能借助擺動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的不對稱(chēng)的區域流體場(chǎng)向前運動(dòng)?；谶@個(gè)原理，研究人員設計了一系列游動(dòng)微納米機器人，并引入生物醫學(xué)研究領(lǐng)域。而早在2010年，賀強就在哈工大組建了國內首個(gè)游動(dòng)納米機器人研發(fā)團隊，在他的組織下，吳志光及其同事應用化學(xué)方法，首次將原子組裝成微納米的結構，在化學(xué)場(chǎng)或外光、磁場(chǎng)下成功施行了可控游動(dòng)，甚至直接被引導至目標細胞。

　　臨床轉化應用有賴(lài)于兩大重要環(huán)節

　　“然而，這些微納米機器人今后要想在臨床中轉化應用，有兩個(gè)重要環(huán)節是繞不開(kāi)的?！眳侵竟饨忉屨f(shuō)，首先微納米機器人必須能夠在復雜的人體環(huán)境中運動(dòng)?！耙皇且苤鲃?dòng)打破細胞膜，二是要能在血液中運轉起來(lái)，三是能夠在眼內玻璃體和胃腸道黏液等生物流體中運動(dòng)?！痹谀嫜饔蝿?dòng)時(shí)，流速對微納米機器人有較大影響。研究團隊發(fā)現，自然界有很多動(dòng)物和微生物在流體的環(huán)境下生存，為了更好地適應流動(dòng)性的環(huán)境，這些生命往往選擇貼近基底運動(dòng)。受此啟發(fā)，賀強團隊研創(chuàng )了兩種可以沿著(zhù)基底運動(dòng)的游動(dòng)微納米機器人，以及一款尺寸比生物水凝膠孔徑更小的機器人，后者可在眼睛玻璃體中自由穿梭，其運動(dòng)方向的精確度在9平方毫米范圍內，達到了目前常規的眼科藥物載體無(wú)法企及的水平。

　　其次就是游動(dòng)微納米機器人的成像和控制問(wèn)題。吳志光解釋說(shuō)：“納米機器人的尺寸較小，一般比常規的成像分辨率低很多，而且和生物組織的對比度不足?！睘榇?，研究團隊通過(guò)包裹機器人，使其外觀(guān)尺寸增大；同時(shí)借助動(dòng)作分離方法，提取并掌控完全來(lái)自于游動(dòng)微納米機器人的動(dòng)作行為，將其與生物組織進(jìn)行區分，最終完成了對流動(dòng)微納米機器人的實(shí)時(shí)成像和準確操控，為游動(dòng)微納米機器人在生物醫療領(lǐng)域的應用奠定了堅實(shí)基礎。

　　在已取得的重要成果中，賀強團隊首次研制了有效且穩定地攜帶紫杉醇等抗癌藥物的機器人，依靠自主研發(fā)的控制系統，突破血腦屏障和血腫屏障，將藥物送入腦部病變深處，顯著(zhù)增強了紫杉醇的濃度及靶向效率，使腦膠質(zhì)細胞瘤的頑固“堡壘”從內部被瓦解。而由吳志光參與的國際合作課題“一群光滑的微型螺旋機器人穿過(guò)眼睛的玻璃體”，利用納米級3D打印技術(shù)制作的機器人“小蝌蚪”，成功地“游入”實(shí)驗動(dòng)物的眼球，不到30分鐘內，就已“搶灘登陸”到視網(wǎng)膜，比相似大小的藥物顆粒通過(guò)眼睛的速度快了10倍，為未來(lái)青光眼、黃斑水腫、白內障的治療蹚出了一條新路?！犊茖W(xué)》《自然》等多家著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊紛紛報道了他們的研究進(jìn)展，并給予了高度評價(jià)。

　　展望未來(lái)，納米級技術(shù)不再只是好萊塢大片里超級英雄才擁有的酷炫科技，它將成為人類(lèi)生活的一部分。美國未來(lái)學(xué)家、谷歌工程總監雷·庫茲韋爾預言說(shuō)：今后，醫療納米機器人有望把人腦和云腦（云計算系統）連接起來(lái)，進(jìn)而提高人類(lèi)智力、延長(cháng)人類(lèi)壽命。2030年，游動(dòng)納米機器人將會(huì )定居在人體內，隨著(zhù)血液循環(huán)遍布人體，為精準醫療埋下伏筆。

　　“前景美好，未來(lái)可期！”賀強坦言，日后的探索之路還很艱辛漫長(cháng)，畢竟生物醫療器械或藥物要經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的多期臨床實(shí)驗和觀(guān)察才能開(kāi)花結果。


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