吴志光:游动微纳机器人的医疗开发,搭建基于纳米机器人的免疫系统

科学
吴志光:游动微纳机器人的医疗开发,搭建基于纳米机器人的免疫系统
麻省理工科技评论 2021-01-02

2021-01-02

新型主动药物递送方式既必要又重要。
35岁以下科技创新35人
新型主动药物递送方式既必要又重要。

12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。

会上,2019 年 “35 岁以下科技创新 35 人” 获得者哈尔滨工业大学教授吴志光发表了以《游动微纳机器人的医疗开发》为主题的演讲,以下为经过整理后的演讲实录:

游动微纳机器人的医疗开发,搭建基于纳米机器人的免疫系统

图 | 哈尔滨工业大学教授吴志光

传统的药物递送是被动扩散的,这种方式在病患区域内递送效率低,而且毒副作用较高。有研究对最近 30 年以来的药物递送方式进行了统计,结果显示,递送约 12 个小时后,最高的递送效率还不到 1%。因此,新型主动药物递送方式既必要又重要。

1966 年的电影《奇幻旅程》,讲述了医疗工作者被缩小到微纳米尺寸,然后再被注射到一位科学家体内,直接游到病患区进行治疗的故事。吴志光说:“人们一直幻想能不能做出主动的游动纳米机器人,装载药物在人体内游走,将药物递送给病患区域内。” 他对游动微纳机器人的研发便致力于此。

研发微纳尺寸机器人首先要解决的是驱动问题,许多宏观世界的驱动方法在微观世界里却难以实现。吴志光在演讲中打了个比方:“比如你躺在浴缸里,感觉浴缸里都是水。如果缩小成纳米尺度,你身边就不是水,而是一种非常浓的糖浆,所以你无法打破时间对称性,实现运动。”

科学家发现,自然界有很多微纳米尺度的东西可以实现游动,比如分子马达、生物马达,还有细菌、精子等,它们通过在摆动过程中产生不对称的区域流体场向前运动。基于这个原理,很多人开始提出了一系列游动微纳米机器人,进行生物医学研究。吴志光团队应用化学方法,将原子组装成微纳米的结构,在化学场或者外光、磁场下实现了可控的游动,甚至可以引导它们游动到目标细胞。

然而,这些微纳机器人要应用到临床医疗中还需要解决两个重要问题。

首先,微纳机器人需要能够在复杂的人体环境中运动。“这里面大致分为三类,第一是主动打破细胞膜,第二是让它们在血液中进行运动,第三是在眼内玻璃体和胃肠道黏液等多孔生物流体中运动。” 吴志光解释说。

这三类问题需要逐个解决。

首先是突破细胞膜的问题,细胞膜穿孔因其在细胞转染、人工授精以及基因编辑等领域的巨大潜在应用成为了近年来生物技术的热点研究问题。尽管常规的化学与物理方法可对大批量细胞膜穿孔,但是对于靶向单细胞的膜穿孔难以实现。针对这样的问题,能够在多种生物流体中进行可控运动的游动纳米机器有望实现靶向目标细胞的膜穿孔。血液的影响主要有两个方面:第一,绝大多数机器人进入人体后属于外源物,免疫系统会进行排斥。吴志光团队将微纳机器人伪装成天然细胞,从而躲避免疫系统的攻击。第二,在逆血流游动时,流速对微纳米机器人产生了较大影响。他们发现,自然界有很多动物和微生物在流体的环境下生存,为了更好地适应流动性的环境,它们选择贴近基底运动。受此启发,团队研发了两种可以沿着基底运动的游动微纳米机器人。

多孔流体由生物大分子作为骨架,内部嵌入水和小分子,被称为生物水凝胶,这种三维结构影响了药物向病患区的递送。吴志光团队研发了一种尺寸比生物水凝胶孔径更小的机器人,能够实现在眼泪玻璃体中的穿梭。这种机器人表面有一个润滑层的微纳米器,其头部是一个螺旋形结构,可以控制运动方向和速度,实现了约 9 平方毫米的精准度。“这个精准度是目前常规的眼科药物载体无法达到的水平。” 吴志光说。

另外一个问题就是流动微纳米机器人的成像和控制。吴志光解释说:“纳米机器人的尺寸比较小,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。” 他的团队通过包裹机器人使尺寸达到成像分辨率的水平。此外,通过动作分离方法提取出完全来自于游动微纳米机器人的动作行为,可以将其与生物组织进行区分,以实现对它的实时成像与控制。

在解决这些重要问题取得突破后,吴志光团队开展了许多科研转化的尝试,比如使用游动微纳机器人对脑部进行治疗。

“我们目前已经实现从了简单到复杂,从个体到群体,从体外到活体动物的研究,最终的理想是做成人体的外部免疫系统。” 他说,“但还有一些问题要解决,例如高时空的分辨率成像、体内更有效的游动等。希望经过我们的努力,可以给人类健康做出自己的贡献。”

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