比“蚁人”还小的纳米机器人,正走在抗肿瘤的



1966 年,一部科幻电影《神奇旅程》第一次利用微缩科技拍摄模拟的人体内部,影片中,外科医生被缩小为几百万分之一,乘坐微缩潜水艇进入人体内进行血管手术。

比“蚁人”还小的纳米机器人,正走在抗肿瘤的

影片中被缩小的医生和潜水艇(图片来源:电影《神奇旅程》)

而如今,科学技术不断进步,科幻正在照进现实,真的有团队在致力于研究能进入患者体内诊疗、比 " 蚁人 " 还小的 " 袖珍医生 " ——当然,不是真的把医生缩小,而是把机器人缩小。

纳米机器人——智能的体内医生

一块微小的芯片,能够存储大量信息,集成超强的运算能力。那么就有人大开脑洞了:我们能否设计出智能化的小型机器人,承担在人体内诊断病情,运送药物,对症治疗的任务呢?纳米机器人这个概念就应运而生了。

纳米机器人是大小在纳米或微米级别的机器人。早在 1959 年,诺贝尔奖得主理论物理学家理查德 · 费曼就率先提出了利用微型机器人治病的想法。而这位大佬在当时的另外两个设想——存储信息的微小芯片和探索微观世界的显微镜如今已经成为现实。

今天,随着工业制造技术的不断进步,我们已经具备加工高精度微小元件的能力。分子纳米技术也是近年来发展迅猛的技术之一。以医药领域为例,自从上世纪 60 年代纳米脂质体载药系统问世以来,纳米药物就一直是新药研发的热门领域。目前,已有多款脂质体纳米药物进入市场,还有许多基于不同纳米载体(胶束、枝状聚合物、微针等)的药物处于临床研究阶段。

伴随人工智能浪潮的兴起,医用智能纳米系统这一多学科深度交叉融合的前沿领域逐渐成型。2013 年,美国乔治亚大学的赵奕平研究团队开发了磁驱动的纳米机器人,通过促进组织纤溶酶原激活剂的递送加速血栓溶解;同年,新加坡南阳理工大学的 Pumera 团队首次研究了一种自驱动纳米机器人对人体细胞的毒性作用,使纳米机器人向临床应用迈出了坚实的一步 [ 1 ] 。此后,越来越多形态各异,功能丰富的纳米机器人设计相继问世。

那么问题来了,纳米机器人医生适合哪个科室?比如大家关注的肿瘤治疗,它们能不能行?

三大系统 , 能否助力肿瘤治疗 ?

肿瘤一直是世界范围内的重大健康问题,传统的肿瘤疗法包括手术切除和化学药物疗法。然而,手术切除对中晚期肿瘤的疗效不甚理想;化疗又会产生较大的毒副作用。而纳米机器人由于体积小,智能化,且能够在人体内穿梭,在未来的肿瘤治疗中有望在一定程度上弥补传统疗法缺陷,甚至可能帮助我们取得一些突破进展。

目前的主流设计一般将治疗用纳米机器人分为三个系统,即驱动系统、导航系统和响应系统。值得注意的是,尽管纳米机器人在驱动原理、动力控制和智能响应方面已经取得了重大进展,但要真正实现临床转化,还有很长的路要走。

比“蚁人”还小的纳米机器人,正走在抗肿瘤的

图 1 纳米机器人用于肿瘤治疗的原理示意图(图片来源:作者提供)

1. 驱动系统——主动出击显优势

传统化疗在临床实施中局限性较大,化疗药物会在患者体内进行广泛扩散,使得肿瘤发生部位难以达到药物的最佳治疗浓度,而药物在健康部位的分布可能引起较大的毒副作用。

相比之下,纳米机器人能够具备驱动系统,科学家们希望它们在进入体内后可以通过自我驱动主动向肿瘤部位移动,从而在肿瘤部位富集,达到靶向治疗的效果。

驱动系统,就是微纳米级别的 " 发动机 ",它能够将其他形式的能量转化为驱动纳米机器人的能量。化学反应驱动是目前常见的驱动方式。例如将过氧化氢作为燃料,其分解释放氧气气泡,产生推动力,驱动纳米机器人在液体中游动。除此以外,还有将磁场、光照和超声波的能量转化为动能的物理驱动,利用微生物的趋化特性的生物驱动等驱动方式。

除了驱动能力,为了在体内平稳运行,纳米机器人还需要具备 " 油门和刹车 " 来控制其运行的速度。对于化学驱动的纳米机器人,可以通过控制参与反应的燃料量,进而控制运行速度。荷兰拉德堡德大学的 Wilson 团队在纳米机器人的驱动系统上安装了对温度敏感的燃料阀,燃烧阀随着温度改变状态,从而调整纳米机器人的运动速度 [ 2 ] 。对于物理驱动的纳米机器人,则可以通过控制施加物理场的强度大小来控制运行速度。例如有研究团队制备了光驱动的纳米机器人,通过改变光线的强弱进行动力学控制。




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