隨著微納米科學(xué)技術(shù)的不斷提高，以及交叉科學(xué)的進(jìn)步，微納米機(jī)器人研究在近十年內(nèi)得到了飛速發(fā)展。微納米機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式從化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)發(fā)展為無(wú)化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)，構(gòu)筑材料從金屬和人造聚合物拓展到生物相容和可降解材料，研究深度從體外研究深入到體內(nèi)研究，應(yīng)用范圍包括藥物運(yùn)輸、骨骼修復(fù)、光熱治療、去除血栓以及毒素清除等等。

不久前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)與交叉科學(xué)研究院微納米技術(shù)研究中心副教授吳志光與德國(guó)馬普智能系統(tǒng)所教授皮爾·菲舍爾(P.Fischer)團(tuán)隊(duì)合作，首次實(shí)現(xiàn)了納米機(jī)器人在眼睛玻璃體中可控、高效的集群運(yùn)動(dòng)，研究成果以《穿梭眼內(nèi)玻璃體的群體潤(rùn)滑微型推進(jìn)器》為題，在線(xiàn)發(fā)表于Science Advances上。

解決眼科治療痛點(diǎn)

隨著人口老齡化以及越來(lái)越多的屏幕出現(xiàn)在日常生活中，眼科疾病的發(fā)病率越來(lái)越高。但因?yàn)槿搜蹆?nèi)多種血眼屏障的存在，導(dǎo)致常規(guī)的藥物遞送方法很難到達(dá)眼球后部。

吳志光向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹說(shuō)，滴藥方法很難穿越晶狀體與玻璃體之間的屏障，血液運(yùn)輸方法則因?yàn)槭艿窖骸暰W(wǎng)膜屏障的阻礙，同樣受限。

“目前業(yè)內(nèi)認(rèn)為，眼內(nèi)玻璃體注射藥物方法是效率相對(duì)高的方法，但藥物在眼內(nèi)玻璃體擴(kuò)散很慢并且沒(méi)有靶向性，這些生物屏障導(dǎo)致向眼內(nèi)視網(wǎng)膜給藥效率很低，并且缺乏靶向性。”吳志光說(shuō)，手術(shù)治療的方法因?yàn)橐苯幼饔糜谘劬Γ颊呱硇慕砸惺軌毫Γ⑶一謴?fù)時(shí)間長(zhǎng)，影響日常生活。

基于以上原因，納米機(jī)器人在眼科治療方面的應(yīng)用一直被寄予厚望：首先，它們的尺寸極小，可以通過(guò)直徑微米級(jí)的針孔注射到眼內(nèi)，對(duì)眼睛影響小，不需要額外休養(yǎng)，屬于無(wú)創(chuàng)治療;其次，納米機(jī)器人能夠在眼內(nèi)玻璃體中自由運(yùn)動(dòng)，穿越玻璃體屏障，能夠攜帶藥物到達(dá)眼內(nèi)視網(wǎng)膜靶向區(qū)域，被科學(xué)家寄予了厚望。

游動(dòng)自如的眼科納米機(jī)器人

要實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人在玻璃體的運(yùn)動(dòng)并不容易。在宏觀視野下，玻璃體是類(lèi)似膠狀的粘彈性流體，而在微觀下，玻璃體的主體則是由膠原蛋白為主體骨架，內(nèi)部嵌入水和透明質(zhì)酸的三維網(wǎng)格。

“因此我們?cè)O(shè)想，如果納米機(jī)器人能夠穿越玻璃體的三維網(wǎng)格，那么就有可能實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人在玻璃體內(nèi)進(jìn)行可控運(yùn)動(dòng)。”從2016年開(kāi)始，吳志光和同事一起，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人的眼內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量嘗試。最終設(shè)計(jì)出了一種表面涂覆納米液態(tài)潤(rùn)滑層的螺旋形磁性納米機(jī)器人，其直徑僅為500納米。

吳志光介紹說(shuō)，這種納米機(jī)器人形狀類(lèi)似納米尺寸的蝌蚪，由尺寸約500納米的球形頭部，以及長(zhǎng)度約2微米的螺旋形尾巴組成，頭部與尾巴之間是用于磁驅(qū)動(dòng)的磁性材料。該納米機(jī)器人在外源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，可以像細(xì)菌一樣，依靠自身旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)對(duì)外源磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)來(lái)控制納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

研究之初，團(tuán)隊(duì)始終無(wú)法找到任何一種方法能觀察哪怕一個(gè)納米機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，加上納米級(jí)別的機(jī)器人尺寸過(guò)小，難以了解具體發(fā)生了什么情況。最終他們想到了以大見(jiàn)小的方法，從相對(duì)簡(jiǎn)單和基礎(chǔ)的研究做起，做了很多宏觀尺度看得見(jiàn)的磁性結(jié)構(gòu)以便于觀察。

吳志光表示，正是對(duì)這些宏觀磁性結(jié)構(gòu)在玻璃體中運(yùn)動(dòng)行為的觀察，為后來(lái)納米機(jī)器人能夠在玻璃體中運(yùn)動(dòng)提供了經(jīng)驗(yàn)。

新的困難接踵而來(lái)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，即使納米機(jī)器人的尺寸已經(jīng)小于玻璃體內(nèi)三維網(wǎng)格尺寸，但是在玻璃體內(nèi)仍然無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這又是什么原因呢?

“我們?cè)陲@微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，玻璃體中的納米機(jī)器人在外源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下無(wú)法像在純水中那樣做整周旋轉(zhuǎn)，推測(cè)可能是由玻璃體中的生物分子對(duì)納米機(jī)器人的纏繞造成的。”吳志光說(shuō)。

為了解決纏繞問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了各種修飾方法，試圖使納米機(jī)器人擺脫生物分子的纏繞，最終想到借鑒豬籠草液態(tài)潤(rùn)滑界面。仿豬籠草潤(rùn)滑界面可以使納米機(jī)器人擺脫玻璃體內(nèi)生物分子的纏繞，最終實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人在玻璃體內(nèi)的可控運(yùn)動(dòng)。

醫(yī)療納米機(jī)器人被看好

該眼科納米機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)豬眼球中的可控運(yùn)動(dòng)。吳志光介紹說(shuō)，豬的眼睛在生物組成和尺寸上都非常接近人眼，是理想的研究模型。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將納米機(jī)器人注射到豬眼球內(nèi)，啟動(dòng)外源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使用眼科醫(yī)學(xué)臨床常用的光學(xué)同調(diào)斷層掃描(OCT)技術(shù)，觀察納米機(jī)器人在視網(wǎng)膜上的位置。結(jié)果表明，通過(guò)外源磁場(chǎng)的控制引導(dǎo)以及光學(xué)斷層掃描，可以操縱納米機(jī)器人精確富集在眼內(nèi)視網(wǎng)膜很小的區(qū)域，這為以后納米機(jī)器人的靶向藥物運(yùn)輸提供了研究基礎(chǔ)。

南方醫(yī)科大學(xué)教授涂盈鋒評(píng)價(jià)說(shuō)：“目前，大多數(shù)藥物在進(jìn)入人體后主要通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)擴(kuò)散到病患區(qū)域，這種方式存在藥效低且副作用大等缺點(diǎn)，尤其是面對(duì)體內(nèi)多種生物屏障一直沒(méi)有良好的解決辦法。面對(duì)這樣的問(wèn)題，具有自驅(qū)動(dòng)能力的納米機(jī)器人被認(rèn)為可以突破生物屏障，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)輸藥物，將會(huì)給生物醫(yī)學(xué)帶來(lái)變革的技術(shù)，也因此成為了生物醫(yī)療科技領(lǐng)域的重要方向。而這種仿生潤(rùn)滑眼內(nèi)游動(dòng)納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器人在眼內(nèi)的可控運(yùn)動(dòng)，可穿越玻璃體抵達(dá)視網(wǎng)膜靶向區(qū)域且不造成損害，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。”

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前最重要、最迫切的就是納米機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。但醫(yī)療納米機(jī)器人目前尚處于研發(fā)試驗(yàn)階段，未能進(jìn)入臨床實(shí)用，許多配套技術(shù)有待開(kāi)發(fā)完善。

以眼科納米機(jī)器人為例，吳志光表示，目前的運(yùn)動(dòng)方向控制還要靠手動(dòng)操縱外源磁場(chǎng)完成，研究團(tuán)隊(duì)最近一直在同控制與導(dǎo)航領(lǐng)域的專(zhuān)家合作，希望開(kāi)發(fā)出像自動(dòng)駕駛汽車(chē)那樣的智能化納米機(jī)器人。

納米機(jī)器人未來(lái)將如何發(fā)展?日本東北大學(xué)工學(xué)部研究員黃曉秋將其發(fā)展分為三個(gè)階段：“目前研發(fā)的納米機(jī)器人屬于第一代，是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，這代納米機(jī)器人可以注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療;第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，能夠執(zhí)行復(fù)雜的納米級(jí)別的任務(wù);第三代納米機(jī)器人將包含有強(qiáng)人工智能和納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的智能裝置。”

納米級(jí)技術(shù)將不再只是好萊塢大片里超級(jí)英雄才能擁有的高科技，而將切實(shí)造福人類(lèi)生活。美國(guó)未來(lái)學(xué)家、谷歌工程總監(jiān)雷·庫(kù)茲韋爾預(yù)言說(shuō)，醫(yī)療納米機(jī)器人未來(lái)將會(huì)把人腦和云腦(云計(jì)算系統(tǒng))連接起來(lái)，進(jìn)而提高人類(lèi)智力和延長(zhǎng)人類(lèi)壽命。2030年，納米機(jī)器人就將定居在人體內(nèi)，隨著血液循環(huán)遍布人體，成為人機(jī)融合的一部分。