将药物准确运送到受影响的区域？吃掉这个微纳载药机器人！

想准确的把药送到患处？来，吃这个微纳载药机器人！

自然界中有很多微纳尺度的东西可以随意漫游，比如分子马达、生物马达、细菌、精子等。可以借助摆动过程中产生的非对称区域流场向前推进。基于这一原理，研究人员设计了一系列游泳微纳机器人，并将其引入生物医学研究领域。

许多微纳米载药机器人通过自行运动，跨越多个生物屏障的屏障，将药物输送到眼球底部或脑组织深处，从而解决青光眼、癫痫、胶质母细胞瘤、中风偏瘫等医学难题。随着研究的深入，哈工大微纳技术研究中心的研究人员正在把这些看似科幻的场景一步步变成现实。

4月19日，记者从哈尔滨工业大学(以下简称哈工大)获悉，哈工大微纳米技术研究中心教授何强、吴完成的研究论文《双响应生物杂化中性粒细胞机器人用于主动靶向递送》近日在国际杂志《科学机器人》网上发表。在此之前，课题组自主研发的一系列游泳微纳米机器人的研究成果已在《德国应用化学》《先进功能材料》《麻省理工科技评论》10《美国化学会杂志》等20余种国际期刊上发表，最高影响因子达到27.4分，奠定了我国科学家在国内外医用纳米机器人研究领域的领先地位。

构建活跃的药物运输渠道已成为行业热点

据报道，常规给药，如注射、服药、输液等。都依赖于药物分子或载体在血液中的扩散，导致输送效率低下。有学者对近30年来的给药情况进行了统计，发现传统给药12小时左右，到达目标部位的药物不到1%。这意味着大多数药物都在路上丢失了。因此，构建积极的新药运输渠道已成为业界的研究热点。

1966年，一部名为《奇幻旅程》的外国电影描述了一位患重病的医学科学家。为了生存，他不得不做出一个冒险的决定，——，把他的五个同事缩小到纳米大小，注射到他的体内，这样他们就可以直接“游泳”到病变区域对他进行治疗。受这个虚幻故事的启发，研究人员一直梦想创造和发明一种能够自主游泳的纳米机器人，在机器人上装载药物，让机器人在人体内“自由泳”，最终到达病变部位发挥功效。

回顾历史，诺贝尔奖获得者、理论物理学家理查德费曼首先提出了微纳机器的概念。1959年，他设想用原子或分子建造微纳机器。在一篇题为“物质的底部有很多空间”的演讲中，费恩曼描述说，在未来，人类有可能建造一台分子大小的微型机器，它可以用分子甚至单个原子作为建筑构件，在非常小的空间内建造物质。这无疑是化学家和生物学家想要达到的理想彼岸。

可喜的是，从2004年开始，各种由化学和外界物理场(如光-电磁热等)驱动的游泳微纳机器人出现了。)都是业内涌现出来的，能在水中高效游动。但人类的环境非常复杂，尤其是体内有很多生物屏障，如血脑屏障、血眼屏障等，既保护了人体免受外来细菌病毒的侵害，又阻止了这些机器人将药物准确的输送到患者所在区域。

原子组装的“游泳者”可以愚弄免疫系统

中国微微纳米技术学会微纳米执行器与微系统分会主任、哈尔滨工业大学博士生导师吴教授表示，早期的游泳微纳米机器人基本由微机电系统等部件组成，其自身材料主要是金属、金属氧化物和人工聚合物。这样的微纳机器人进入体内后，一开始无法降解，所以非常危险；其次，这些金属和金属聚合物是人体内的外源性物质，生物相容性差。一旦进入体内，就会触发免疫系统的“警报”，然后被免疫细胞包围，产生“但他还没来得及征服，就已经死了”，可能是在到达病灶之前就被人体免疫系统“掐死”了。为此，吴的团队首次利用大脑将微纳机器人伪装成自然细胞，从而欺骗了免疫系统。

此外，“微纳尺寸机器人开发首先要解决的是驱动问题，但是很多宏观世界的驱动方式在微观世界很难实现。”吴说：“如果人们躺在装满水的浴缸里，他们就能漂浮起来。但如果把人浓缩到纳米尺度，水的感觉就像一种非常粘稠的糖浆，让人无法动弹。”

科学家发现自然界中有很多微纳尺度的东西可以随意漫游，比如分子马达、生物马达、细菌、精子等。可以借助摆动过程中产生的非对称区域流场向前推进。基于这一原理，研究人员设计了一系列游泳微纳机器人，并将其引入生物医学研究领域。早在2010年，何强就在哈工大组建了第一支游泳纳米机器人R&D团队。在他的组织下，吴及其同事首次利用化学方法将原子组装成微纳结构，并成功地在化学场或外界光和磁场下进行了可控游动，甚至直接导向靶细胞。

临床转化和应用依赖于两个重要环节

“但是，如果这些微纳机器人想要在未来被改造并应用于临床，有两个重要环节是不可避免的。”吴解释说，首先，微纳机器人必须能够在复杂的人类环境中移动。“一是能够主动破开细胞膜，二是能够在血液中运行，三是能够在眼内玻璃体、胃肠粘液等生物液体中移动。”逆流游泳时，流速对微纳机器人有很大影响。研究小组发现，自然界中有许多动物和微生物生活在流体环境中。为了更好的适应流体环境，这些生命往往选择向基地附近移动。受此启发，何强的团队开发了两种可以沿着基底移动的游泳微纳机器人，以及一种尺寸小于生物水凝胶孔径的机器人。后者可以自由穿梭于眼的玻璃体中，其运动方向的精度在9平方毫米以内，这是目前常规眼科药物载体无法达到的。

然后就是游动微纳米机器人的成像和控制问题。吴志光解释说：“纳米机器人的尺寸较小，一般比常规的成像分辨率低很多，而且和生物组织的对比度不足。”为此，研究团队通过包裹机器人，使其外观尺寸增大；同时借助动作分离方法，提取并掌控完全来自于游动微纳米机器人的动作行为，将其与生物组织进行区分，最终完成了对流动微纳米机器人的实时成像和准确操控，为游动微纳米机器人在生物医疗领域的应用奠定了坚实基础。

在已取得的重要成果中，贺强团队首次研制了有效且稳定地携带紫杉醇等抗癌药物的机器人，依靠自主研发的控制系统，突破血脑屏障和血肿屏障，将药物送入脑部病变深处，显著增强了紫杉醇的浓度及靶向效率，使脑胶质细胞瘤的顽固“堡垒”从内部被瓦解。而由吴志光参与的国际合作课题“一群光滑的微型螺旋机器人穿过眼睛的玻璃体”，利用纳米级3D打印技术制作的机器人“小蝌蚪”，成功地“游入”实验动物的眼球，不到30分钟内，就已“抢滩登陆”到视网膜，比相似大小的药物颗粒通过眼睛的速度快了10倍，为未来青光眼、黄斑水肿、白内障的治疗蹚出了一条新路。《科学》《自然》等多家著名学术期刊纷纷报道了他们的研究进展，并给予了高度评价。

展望未来，纳米级技术不再只是好莱坞大片里超级英雄才拥有的酷炫科技，它将成为人类生活的一部分。美国未来学家、谷歌工程总监雷·库兹韦尔预言说：今后，医疗纳米机器人有望把人脑和云脑（云计算系统）连接起来，进而提高人类智力、延长人类寿命。2030年，游动纳米机器人将会定居在人体内，随着血液循环遍布人体，为精准医疗埋下伏笔。

“前景美好，未来可期！”贺强坦言，日后的探索之路还很艰辛漫长，毕竟生物医疗器械或药物要经过长时间的多期临床实验和观察才能开花结果。