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厉害了,医疗纳米机器人可应用于眼科治疗,未来还能用来提高智力和延长寿命

作者:   时间:2019-05-30 08:34   

随着微纳米科学技术的不断提高,以及交叉科学的进步,微纳米机器人研究在近十年内得到了飞速发展。微纳米机器人的驱动方式从化学燃料驱动发展为无化学燃料驱动,构筑材料从金属和人造聚合物拓展到生物相容和可降解材料,研究深度从体外研究深入到体内研究,应用范围包括药物运输、骨骼修复、光热治疗、去除血栓以及毒素清除等等。

不久前,哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院微纳米技术研究中心副教授吴志光与德国马普智能系统所教授皮尔·菲舍尔(P.Fischer)团队合作,首次实现了纳米机器人在眼睛玻璃体中可控、高效的集群运动,研究成果以《穿梭眼内玻璃体的群体润滑微型推进器》为题,在线发表于Science Advances上。

解决眼科治疗痛点

随着人口老龄化以及越来越多的屏幕出现在日常生活中,眼科疾病的发病率越来越高。但因为人眼内多种血眼屏障的存在,导致常规的药物递送方法很难到达眼球后部。

吴志光向《中国科学报》介绍说,滴药方法很难穿越晶状体与玻璃体之间的屏障,血液运输方法则因为受到血液—视网膜屏障的阻碍,同样受限。

“目前业内认为,眼内玻璃体注射药物方法是效率相对高的方法,但药物在眼内玻璃体扩散很慢并且没有靶向性,这些生物屏障导致向眼内视网膜给药效率很低,并且缺乏靶向性。”吴志光说,手术治疗的方法因为要直接作用于眼睛,患者身心皆要承受压力,并且恢复时间长,影响日常生活。

基于以上原因,纳米机器人在眼科治疗方面的应用一直被寄予厚望:首先,它们的尺寸极小,可以通过直径微米级的针孔注射到眼内,对眼睛影响小,不需要额外休养,属于无创治疗;其次,纳米机器人能够在眼内玻璃体中自由运动,穿越玻璃体屏障,能够携带药物到达眼内视网膜靶向区域,被科学家寄予了厚望。

游动自如的眼科纳米机器人

要实现纳米机器人在玻璃体的运动并不容易。在宏观视野下,玻璃体是类似胶状的粘弹性流体,而在微观下,玻璃体的主体则是由胶原蛋白为主体骨架,内部嵌入水和透明质酸的三维网格。

“因此我们设想,如果纳米机器人能够穿越玻璃体的三维网格,那么就有可能实现纳米机器人在玻璃体内进行可控运动。”从2016年开始,吴志光和同事一起,针对如何实现纳米机器人的眼内运动进行了大量尝试。最终设计出了一种表面涂覆纳米液态润滑层的螺旋形磁性纳米机器人,其直径仅为500纳米。

吴志光介绍说,这种纳米机器人形状类似纳米尺寸的蝌蚪,由尺寸约500纳米的球形头部,以及长度约2微米的螺旋形尾巴组成,头部与尾巴之间是用于磁驱动的磁性材料。该纳米机器人在外源旋转磁场作用下,可以像细菌一样,依靠自身旋转实现前后运动,并且通过对外源磁场的调节来控制纳米机器人的运动状态。

研究之初,团队始终无法找到任何一种方法能观察哪怕一个纳米机器人的运动,加上纳米级别的机器人尺寸过小,难以了解具体发生了什么情况。最终他们想到了以大见小的方法,从相对简单和基础的研究做起,做了很多宏观尺度看得见的磁性结构以便于观察。

吴志光表示,正是对这些宏观磁性结构在玻璃体中运动行为的观察,为后来纳米机器人能够在玻璃体中运动提供了经验。

新的困难接踵而来。实验过程中,即使纳米机器人的尺寸已经小于玻璃体内三维网格尺寸,但是在玻璃体内仍然无法进行运动。这又是什么原因呢?

“我们在显微镜下观察发现,玻璃体中的纳米机器人在外源旋转磁场下无法像在纯水中那样做整周旋转,推测可能是由玻璃体中的生物分子对纳米机器人的缠绕造成的。”吴志光说。

为了解决缠绕问题,研究团队尝试了各种修饰方法,试图使纳米机器人摆脱生物分子的缠绕,最终想到借鉴猪笼草液态润滑界面。仿猪笼草润滑界面可以使纳米机器人摆脱玻璃体内生物分子的缠绕,最终实现纳米机器人在玻璃体内的可控运动。

医疗纳米机器人被看好

该眼科纳米机器人已经实现了在真实猪眼球中的可控运动。吴志光介绍说,猪的眼睛在生物组成和尺寸上都非常接近人眼,是理想的研究模型。

实验中,研究人员将纳米机器人注射到猪眼球内,启动外源旋转磁场,使用眼科医学临床常用的光学同调断层扫描(OCT)技术,观察纳米机器人在视网膜上的位置。结果表明,通过外源磁场的控制引导以及光学断层扫描,可以操纵纳米机器人精确富集在眼内视网膜很小的区域,这为以后纳米机器人的靶向药物运输提供了研究基础。

南方医科大学教授涂盈锋评价说:“目前,大多数药物在进入人体后主要通过循环系统扩散到病患区域,这种方式存在药效低且副作用大等缺点,尤其是面对体内多种生物屏障一直没有良好的解决办法。面对这样的问题,具有自驱动能力的纳米机器人被认为可以突破生物屏障,实现主动运输药物,将会给生物医学带来变革的技术,也因此成为了生物医疗科技领域的重要方向。而这种仿生润滑眼内游动纳米机器人实现纳米机器人在眼内的可控运动,可穿越玻璃体抵达视网膜靶向区域且不造成损害,该技术具有广阔的应用前景。”

业内专家强调,当前最重要、最迫切的就是纳米机器人在医疗领域的应用。但医疗纳米机器人目前尚处于研发试验阶段,未能进入临床实用,许多配套技术有待开发完善。

以眼科纳米机器人为例,吴志光表示,目前的运动方向控制还要靠手动操纵外源磁场完成,研究团队最近一直在同控制与导航领域的专家合作,希望开发出像自动驾驶汽车那样的智能化纳米机器人。

纳米机器人未来将如何发展?日本东北大学工学部研究员黄晓秋将其发展分为三个阶段:“目前研发的纳米机器人属于第一代,是生物系统和机械系统的有机结合体,这代纳米机器人可以注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗;第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,能够执行复杂的纳米级别的任务;第三代纳米机器人将包含有强人工智能和纳米计算机,是一种可以进行人机对话的智能装置。”

纳米级技术将不再只是好莱坞大片里超级英雄才能拥有的高科技,而将切实造福人类生活。美国未来学家、谷歌工程总监雷·库兹韦尔预言说,医疗纳米机器人未来将会把人脑和云脑(云计算系统)连接起来,进而提高人类智力和延长人类寿命。2030年,纳米机器人就将定居在人体内,随着血液循环遍布人体,成为人机融合的一部分。