近年來，微型/納米機器人在生命醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)展迅速，且作為廣大。包括藥物運輸、外科手術(shù)、醫(yī)療診斷、解毒等在內(nèi)的應(yīng)用正展現(xiàn)出這些微小機器人得天獨厚的優(yōu)勢。機械學、生命醫(yī)學、納米科學等學科的合作和融合，促使了機器人在疾病預(yù)防、診斷和治療應(yīng)用上綻放出不一樣的火花。
3月份，《Science Robotics》發(fā)表一篇題為“Micro/nanorobots for biomedicine: Delivery, surgery, sensing, and detoxification”的綜述，詳細闡述了微型、納米機器人在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。
隨著動力學、材料學、醫(yī)學成像等技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)生、患者接受度的提高，醫(yī)療機器人快速發(fā)展。不同于傳統(tǒng)的機器人，醫(yī)療機器人由細小的零件和智能材料構(gòu)成，可以進行復(fù)雜而精妙的手術(shù)、解毒等操作，例如達芬奇手術(shù)機器人。科學家們研發(fā)的小型、多功能化機器人只有幾微米的尺寸，甚至于更小，它們可以到達人體的任何部位，將操作降至細胞水平，以便更精準、高效的診斷和治療。
實現(xiàn)微型/納米機器人運動的不同驅(qū)動機制(化學反應(yīng)及磁場、超聲波、光、電等外力)，以及機器人在生命醫(yī)學領(lǐng)域不同的應(yīng)用圖示(來源于：綜述)
許多研究表明，這些微型/納米機器人可以穿過復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)或者狹窄的毛細血管，進行局部診斷、成像、運載活檢樣本、靶向釋放藥物等操作。很多微型/納米機器人由生物相容性材料構(gòu)成，可以在任務(wù)完成后在人體內(nèi)逐漸降解、消失。
實現(xiàn)藥物的靶向運輸
現(xiàn)有的納米機器人實現(xiàn)藥物運輸依賴于體循環(huán)，缺少定點運輸、組織滲透等驅(qū)動和導航能力。為了實現(xiàn)藥物在疾病部位的精準釋放，藥物運輸機器人需要具備強大的驅(qū)動力、導航系統(tǒng)、藥物釋放和組織滲透的能力。
雖然已有的機器人“羽翼未豐”，但是它是實現(xiàn)藥物運輸?shù)睦硐牖d體。科學家們對其充滿期待，他們認為納米機器人有望實現(xiàn)藥物的快速、精準釋放，從而提高療效、減輕藥物副作用。
很多初步研究已經(jīng)很好地在體外、試管中展示了納米機器人在藥物運輸上的潛能，例如多層管狀聚合納米機器人被證實可以通過多孔膜逐層裝載抗癌藥物阿霉素，且可以到達癌細胞附近。不少用于藥物運輸?shù)奈⑿?納米機器人正處于研發(fā)早期。其中，細胞內(nèi)運輸是該領(lǐng)域的熱門研究方向。納米機器人能夠穿透細胞膜并直接運輸各種治療藥物進入細胞內(nèi)部。
除了化學反應(yīng)、超聲波、電能等驅(qū)動力之外，科學家們還找到一種趨磁趨氧細菌(Magnetococcus marinus strain MC-1)，它們可以驅(qū)動納米脂質(zhì)體運輸至腫瘤缺氧區(qū)。這一類細菌會朝著磁場和低氧區(qū)域運動。以移植有結(jié)腸癌的小鼠為模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，55%的MC-1細菌會趨向結(jié)腸腫瘤的缺氧區(qū)域HCT116。這些研究成果表情，微生物的趨磁趨氧特性可以提高藥物在腫瘤缺氧地區(qū)的釋放效率。微生物有望在機器人藥物運輸中“大展身手”。
實現(xiàn)手術(shù)的精準操作
手術(shù)機器人已經(jīng)展現(xiàn)出減少復(fù)雜外科手術(shù)風險、拓寬外科醫(yī)生能力的優(yōu)勢。這類機器人有望協(xié)助醫(yī)生實現(xiàn)更高精度、更靈活和可控性的微創(chuàng)手術(shù)。與大型器械不同的是，微型機器人配備有高分辨率三維內(nèi)鏡，可以在患者體內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，有望突破傳統(tǒng)外科手術(shù)的局限，將微創(chuàng)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜的外科手術(shù)。
從納米鉆頭(nanodrillers)、微型夾鉗(microgrippers)到微型子彈(microbullets)，這些工具的升級為微創(chuàng)手術(shù)提供了獨特的潛能，它們可以在細胞水平實現(xiàn)特定組織的穿透、定位、移除等操作。
此外，磁驅(qū)動微型機器人在體內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域也展現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景，因為磁場可以穿透較厚的生物組織。科學家們已經(jīng)證實植入式磁驅(qū)動微型機器人可以在兔子的眼后段進行手術(shù)。
實現(xiàn)疾病的精準診斷
得益于自主的運動性能、簡單的表面功能化以及高效捕獲、分離目標物的優(yōu)勢，微型/納米機器人在疾病精準診斷上同樣也發(fā)揮著很大的作用。微型/納米級傳感策略依賴于人工馬達的能動性，借助于攜帶不同的生物受體，機器人能夠穿過樣本實現(xiàn)與特定生物分子的即時互作。借助這一原理，納米機器人可以識別、隔離體液中的靶向分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、癌細胞等等。
除了檢測、運輸在細胞外的生物分子，納米機器人還可以進入細胞，在其內(nèi)實現(xiàn)傳感功能。有研究團隊通過給納米機器人攜帶上熒光標記的單鏈DNA探針，實現(xiàn)其對細胞內(nèi)microRNA-21分子的檢測。
實現(xiàn)解毒
除了藥物運輸、手術(shù)之外，微型/納米機器人也可以作為強大的解毒工具。類似于生物傳感，解毒功能依賴于納米機器人快速捕獲、清除毒素。通過包裹上特定的材料，機器人可以在體內(nèi)“巡邏”并“抓捕”有毒物質(zhì)。這類機器人的工作原理類似于天然清理毒素的細胞，例如血紅細胞(RBCs)。已有科學團隊研發(fā)出攜帶有包裹了RBC細胞膜的鎂微粒的機器人，研究表明它能夠有效吸收、中和體液中的α-toxin。
此外，也有研究團隊將紅細胞膜與超聲驅(qū)動的納米機器人整合在一起，用于清除血液中的成孔毒素。另一種解毒嘗試是構(gòu)建3D版“微型小魚”，這些小魚攜帶聚二乙炔納米粒子，可以吸引并于毒素結(jié)合。
總結(jié)、展望
過去十年，微型/納米機器人從一個未知、多功能平臺發(fā)展至集成納米技術(shù)、人工智能等優(yōu)點的技術(shù)。他們表現(xiàn)出很多獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，包括在生物組織中快速運動、定位、長時間運輸、精準捕獲和隔離目標物等等。這些優(yōu)勢促成了它在生命醫(yī)學領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，從藥物運輸、精準手術(shù)到細胞水平靈敏檢測生物分子、高效清除有毒化合物，這意味著納米機器人有望貫穿疾病診療、預(yù)防的全過程。
當然，目前微型/納米機器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。發(fā)揮微小機器人的全部潛能面臨很多未知和挑戰(zhàn)。其中，一個重大挑戰(zhàn)是篩選到新能源，它需要具備長期自主操作、較好的生物相容性等特性。雖然不同的化學反應(yīng)和外部刺激可以驅(qū)動微小機器人的運動，但是新的替代燃料和驅(qū)動機制很有必要，它們有望確保機器人在體內(nèi)更安全、持續(xù)地運行。
未來，微型機器人會朝著更加智能的方向發(fā)展，具備高流行性、可變形結(jié)構(gòu)、可持續(xù)操作、精準控制等可能，機器人之間還有望實現(xiàn)集群智能合作，甚至于自我進化、自我復(fù)制。