《游動(dòng)微納機(jī)器人的醫(yī)療開發(fā)》為主題的演講

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評(píng)論》主辦的全球青年科技領(lǐng)袖峰會(huì)暨《麻省理工科技評(píng)論》中國 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 頒獎(jiǎng)典禮在紹興上虞舉行?！?5 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國榜單正式發(fā)布。

會(huì)上，2019 年 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 獲得者哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授吳志光發(fā)表了以《游動(dòng)微納機(jī)器人的醫(yī)療開發(fā)》為主題的演講，以下為經(jīng)過整理后的演講實(shí)錄：

圖 | 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授吳志光

傳統(tǒng)的藥物遞送是被動(dòng)擴(kuò)散的，這種方式在病患區(qū)域內(nèi)遞送效率低，而且毒副作用較高。有研究對(duì)最近 30 年以來的藥物遞送方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，遞送約 12 個(gè)小時(shí)后，最高的遞送效率還不到 1%。因此，新型主動(dòng)藥物遞送方式既必要又重要。

1966 年的電影《奇幻旅程》，講述了醫(yī)療工作者被縮小到微納米尺寸，然后再被注射到一位科學(xué)家體內(nèi)，直接游到病患區(qū)進(jìn)行治療的故事。吳志光說：“人們一直幻想能不能做出主動(dòng)的游動(dòng)納米機(jī)器人，裝載藥物在人體內(nèi)游走，將藥物遞送給病患區(qū)域內(nèi)?！?他對(duì)游動(dòng)微納機(jī)器人的研發(fā)便致力于此。

研發(fā)微納尺寸機(jī)器人首先要解決的是驅(qū)動(dòng)問題，許多宏觀世界的驅(qū)動(dòng)方法在微觀世界里卻難以實(shí)現(xiàn)。吳志光在演講中打了個(gè)比方：“比如你躺在浴缸里，感覺浴缸里都是水。如果縮小成納米尺度，你身邊就不是水，而是一種非常濃的糖漿，所以你無法打破時(shí)間對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)?！?/p>

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界有很多微納米尺度的東西可以實(shí)現(xiàn)游動(dòng)，比如分子馬達(dá)、生物馬達(dá)，還有細(xì)菌、精子等，它們通過在擺動(dòng)過程中產(chǎn)生不對(duì)稱的區(qū)域流體場(chǎng)向前運(yùn)動(dòng)?；谶@個(gè)原理，很多人開始提出了一系列游動(dòng)微納米機(jī)器人，進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)研究。吳志光團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用化學(xué)方法，將原子組裝成微納米的結(jié)構(gòu)，在化學(xué)場(chǎng)或者外光、磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了可控的游動(dòng)，甚至可以引導(dǎo)它們游動(dòng)到目標(biāo)細(xì)胞。

然而，這些微納機(jī)器人要應(yīng)用到臨床醫(yī)療中還需要解決兩個(gè)重要問題。

首先，微納機(jī)器人需要能夠在復(fù)雜的人體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。“這里面大致分為三類，第一是主動(dòng)打破細(xì)胞膜，第二是讓它們?cè)谘褐羞M(jìn)行運(yùn)動(dòng)，第三是在眼內(nèi)玻璃體和胃腸道黏液等多孔生物流體中運(yùn)動(dòng)?！?吳志光解釋說。

這三類問題需要逐個(gè)解決。

首先是突破細(xì)胞膜的問題，細(xì)胞膜穿孔因其在細(xì)胞轉(zhuǎn)染、人工授精以及基因編輯等領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用成為了近年來生物技術(shù)的熱點(diǎn)研究問題。盡管常規(guī)的化學(xué)與物理方法可對(duì)大批量細(xì)胞膜穿孔，但是對(duì)于靶向單細(xì)胞的膜穿孔難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這樣的問題，能夠在多種生物流體中進(jìn)行可控運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)納米機(jī)器有望實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo)細(xì)胞的膜穿孔。血液的影響主要有兩個(gè)方面：第一，絕大多數(shù)機(jī)器人進(jìn)入人體后屬于外源物，免疫系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行排斥。吳志光團(tuán)隊(duì)將微納機(jī)器人偽裝成天然細(xì)胞，從而躲避免疫系統(tǒng)的攻擊。第二，在逆血流游動(dòng)時(shí)，流速對(duì)微納米機(jī)器人產(chǎn)生了較大影響。他們發(fā)現(xiàn)，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(yīng)流動(dòng)性的環(huán)境，它們選擇貼近基底運(yùn)動(dòng)。受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了兩種可以沿著基底運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)微納米機(jī)器人。

多孔流體由生物大分子作為骨架，內(nèi)部嵌入水和小分子，被稱為生物水凝膠，這種三維結(jié)構(gòu)影響了藥物向病患區(qū)的遞送。吳志光團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種尺寸比生物水凝膠孔徑更小的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在眼淚玻璃體中的穿梭。這種機(jī)器人表面有一個(gè)潤滑層的微納米器，其頭部是一個(gè)螺旋形結(jié)構(gòu)，可以控制運(yùn)動(dòng)方向和速度，實(shí)現(xiàn)了約 9 平方毫米的精準(zhǔn)度?！斑@個(gè)精準(zhǔn)度是目前常規(guī)的眼科藥物載體無法達(dá)到的水平。” 吳志光說。

另外一個(gè)問題就是流動(dòng)微納米機(jī)器人的成像和控制。吳志光解釋說：“納米機(jī)器人的尺寸比較小，一般比常規(guī)的成像分辨率低很多，而且和生物組織的對(duì)比度不足?！?他的團(tuán)隊(duì)通過包裹機(jī)器人使尺寸達(dá)到成像分辨率的水平。此外，通過動(dòng)作分離方法提取出完全來自于游動(dòng)微納米機(jī)器人的動(dòng)作行為，可以將其與生物組織進(jìn)行區(qū)分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的實(shí)時(shí)成像與控制。

在解決這些重要問題取得突破后，吳志光團(tuán)隊(duì)開展了許多科研轉(zhuǎn)化的嘗試，比如使用游動(dòng)微納機(jī)器人對(duì)腦部進(jìn)行治療。

“我們目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從了簡單到復(fù)雜，從個(gè)體到群體，從體外到活體動(dòng)物的研究，最終的理想是做成人體的外部免疫系統(tǒng)?！?他說，“但還有一些問題要解決，例如高時(shí)空的分辨率成像、體內(nèi)更有效的游動(dòng)等。希望經(jīng)過我們的努力，可以給人類健康做出自己的貢獻(xiàn)?！?/p>

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