微創(chuàng)管理和醫(yī)療微機(jī)器人的部署在醫(yī)療應(yīng)用中產(chǎn)生的影響力

在未來(lái)，許多疾病可能會(huì)通過(guò)微小的機(jī)器人在血液中游走、輸送藥物等來(lái)治療。這類醫(yī)療機(jī)器的最新試驗(yàn)來(lái)自于馬克斯·普朗克研究所的研究人員，他們從白血球中獲得靈感，設(shè)計(jì)出了一種新的微型機(jī)器人，可以在血液中“逆流而上”移動(dòng)。

這種機(jī)器人本質(zhì)上是玻璃微粒，寬度不到八微米。一半是涂有一層鎳和金的薄膜，另一半則是攜帶藥物有效載荷。在這個(gè)測(cè)試中，有效載荷是抗癌分子以及識(shí)別癌細(xì)胞的抗體。新的機(jī)器人并不像其他微型機(jī)器人那樣在血液中游動(dòng)，而是通過(guò)沿著血管壁滾動(dòng)的方式移動(dòng)，很像白細(xì)胞一樣。這種運(yùn)動(dòng)的方向可以通過(guò)磁場(chǎng)從體外控制。當(dāng)接通電源后，金屬涂層的一側(cè)會(huì)將球體拉向該方向。

研究人員在實(shí)驗(yàn)室里的模擬血管中進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)磁力足夠強(qiáng)大，可以逆流拖動(dòng)機(jī)器人。當(dāng)關(guān)閉后，機(jī)器人只是隨著血液流動(dòng)，可能會(huì)讓科學(xué)家們精確地控制機(jī)器在身體的哪個(gè)部位移動(dòng)。

“利用磁場(chǎng)，我們的微型機(jī)器人可以通過(guò)模擬的血管向上游游動(dòng)，由于強(qiáng)大的血流和密集的細(xì)胞環(huán)境，這是很有挑戰(zhàn)性的?！痹撗芯康闹饕髡遈unus Alapan說(shuō)?！澳壳暗奈⑿蜋C(jī)器人都無(wú)法承受這種血流。此外，我們的機(jī)器人可以自主識(shí)別‘感興趣’的細(xì)胞，如癌細(xì)胞等。它們能做到這一點(diǎn)，這要?dú)w功于它們表面涂有一層細(xì)胞特異性抗體。然后，它們可以在移動(dòng)時(shí)釋放藥物分子。”

在這些測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器人的速度進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其速度高達(dá)600微米/秒。這使得它們成為這種規(guī)模的磁力微型機(jī)器人中速度最快的。研究人員表示，“成群”的微型機(jī)器人將能夠在人體中發(fā)揮作用。這是因?yàn)閱蝹€(gè)機(jī)器人太小，用大多數(shù)的成像技術(shù)都無(wú)法看到，也無(wú)法獨(dú)自攜帶足夠的藥物。

雖然要讓它們達(dá)到這個(gè)階段還有很多工作要做，但該團(tuán)隊(duì)希望這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一系列疾病的非侵入性精準(zhǔn)治療。

由生物或合成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)微機(jī)器人因其主動(dòng)推進(jìn)和可駕駛性而有望成為下一代動(dòng)力（例如目標(biāo)主動(dòng)貨物交付）和人體微操作應(yīng)用的候選者。醫(yī)療微機(jī)器人領(lǐng)域在過(guò)去十年中取得了顯著的進(jìn)步。它們?cè)谌梭w內(nèi)的應(yīng)用主要限于表面組織（例如，眼睛內(nèi)部），進(jìn)入路線為相對(duì)容易的位置（如胃腸道和圍腸腔），以及停滯或低速流體環(huán)境。微創(chuàng)管理和醫(yī)療微機(jī)器人的部署，以組織在人體內(nèi)部的較深層位置，具有大量流體流動(dòng)（例如循環(huán)/血管系統(tǒng)），仍然是對(duì)其未來(lái)在體內(nèi)醫(yī)療應(yīng)用中產(chǎn)生高影響力的重大挑戰(zhàn)。

循環(huán)系統(tǒng)是身體的天然流體運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)所有器官和最深的組織。盡管循環(huán)系統(tǒng)是進(jìn)入目標(biāo)疾病位置的理想途徑，但血管內(nèi)的惡劣物理?xiàng)l件（例如血流、密集擁擠的異質(zhì)流體環(huán)境）會(huì)損害微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，尤其是那些尺寸小于10μm的機(jī)器人。另一方面，白細(xì)胞的表面運(yùn)動(dòng)，在血管壁上，是血液中唯一的移動(dòng)細(xì)胞，通過(guò)邊緣到血管壁，無(wú)細(xì)胞層，與血管中相比，流動(dòng)速度降低。因此，白細(xì)胞的血管壁表面運(yùn)動(dòng)可以在表面爬行或滾動(dòng)微機(jī)器人中模擬，從而有效地推進(jìn)血液流動(dòng)。

移動(dòng)微機(jī)器人為人體內(nèi)難以接近的區(qū)域的微創(chuàng)靶向醫(yī)療應(yīng)用提供了巨大的前景。循環(huán)系統(tǒng)是航行的理想路徑;然而，血流會(huì)削弱微機(jī)器人的推進(jìn)，尤其是那些總尺寸小于10微米的機(jī)器人。此外，需要針對(duì)細(xì)胞和組織進(jìn)行靶向，以便有效識(shí)別病點(diǎn)，并在動(dòng)態(tài)流動(dòng)條件下長(zhǎng)期保存微機(jī)器人。據(jù)介紹，該微機(jī)器人直徑為±3.0和+7.8微米，可用于靶向藥物輸送到特定細(xì)胞和血流內(nèi)受控導(dǎo)航。白細(xì)胞啟發(fā)的球形微輥由磁響應(yīng)的Janus微粒組成，用于針對(duì)癌細(xì)胞（抗HER2）和光可抗癌藥物分子的抗體。微輥的磁推進(jìn)和轉(zhuǎn)向使平移運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒600微米，約為每秒76個(gè)車身長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)細(xì)胞單層的微輥的主動(dòng)推進(jìn)和轉(zhuǎn)向，證明了癌細(xì)胞在異質(zhì)細(xì)胞群中的目標(biāo)。多功能微輥在平面和內(nèi)皮微通道上針對(duì)生理相關(guān)的血流推進(jìn)。此外，微輥產(chǎn)生足夠的上游推進(jìn)，在生理相關(guān)的血流中定位在傾斜的三維表面上。多功能微輥平臺(tái)也為循環(huán)系統(tǒng)中的體內(nèi)控制推進(jìn)、導(dǎo)航和定向主動(dòng)貨物交付提供了一種生物啟發(fā)的方法。
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