发丝宽度1/100、磁控导航,哈工大微纳米机器人首次实现小鼠脑瘤的主动靶向治

 2021-04-07 22:14  97人阅读   双一流大学网

来源:机器之心

编辑:维度、陈萍

上个月,哈工大微纳米技术研究中心首次实现游动微纳米机器人对脑胶质瘤的主动靶向治疗,相关科研成果发表在《科学机器人》(Science Robotics)期刊。

发丝宽度1/100、磁控导航,哈工大微纳米机器人首次实现小鼠脑瘤的主动靶向治

对于肿瘤和癌症而言,靶向治疗是最有效的方法。靶向治疗对于脑瘤而言更具挑战性,这是因为脑部手术非常危险。微型机器人的应用或许提供了一种更安全的治疗手段。

2021 年 3 月 24 日,哈工大微纳米技术研究中心贺强、吴志光教授团队在 Science Robotics 发表了一篇论文,通过设计一种游动微纳米机器人将药物输送至小鼠的组织,从而治愈了小鼠的脑瘤。

发丝宽度1/100、磁控导航,哈工大微纳米机器人首次实现小鼠脑瘤的主动靶向治

论文地址:https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eaaz9519

在治疗过程中,研究者必须找到一种方法来突破体内通常由致密组织构成的阻碍,并且这些致密组织往往也成为微型机器人移动的障碍。

为了解决这一难题,他们设计了一种使用磁性材料的微型机器人,并利用旋转磁场对机器人进行远程导航。这款微型机器人的宽度大约只有人类头发丝的百分之一,从而可以毫不费劲地游动。研究者将这种基于嗜中性粒细胞(白血细胞的一种)的微型机器人命名为「中性机器人」(Neutrobot ),它能够在小鼠尾部血液和大脑之间自由游动,并用来治疗胶质细胞中的肿瘤。

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Neutrobot的可控磁驱动。

具体而言,研究者首先使用嵌入磁性氧化铁珠和抗癌药物紫杉醇凝胶制成纳米颗粒,然后用大肠杆菌膜包裹纳米颗粒,伪装成有害细菌的纳米颗粒比裸纳米颗粒更容易被小鼠嗜中性粒细胞吸收。下图为 Neutrobot 主动药物靶向输送示意图:

发丝宽度1/100、磁控导航,哈工大微纳米机器人首次实现小鼠脑瘤的主动靶向治

从小鼠尾部针管注入、通过血管进入大脑并最终被嗜中性粒细胞吸收的动态演示过程如下:

图源:Science Magazine。

图源:Science Magazine。

吴志光和他的团队表示,这些微型机器人不仅适用于治疗肿瘤,它们还可以作为一个平台,用于治疗中风、癫痫和脑血栓等多种脑部疾病。

磁控微型机器人如何工作

这些机器人带有磁性,研究者利用旋转磁场远距离牵引它们。在微观尺度上,一根头发宽度 1% 的增量运动,就能使这种混合生物机器人像《贪吃蛇》中那样行走,并通过嗜中性粒细胞的外壳渗透到大脑中。

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Neutrobot的游动。

吴志光教授表示,这项工作的最大挑战是如何实现 Neutrobot 的集群智能。就像宏观世界中的集群机器人,微 / 纳米集群机器人通过复杂的操作实现复杂的任务。

吴志光团队花了 8 年时间才实现了这种微型集群机器人,这种机器人群能够弥合小鼠尾巴(机器人被注射的地方)和大脑(大脑胶质细胞中出现的胶质瘤)之间的屏障。

有一个问题是小鼠的白细胞并没有感受到磁性机器人的特殊性。为了解决这个问题,吴志光的研究小组在机器人身上涂上了大肠杆菌膜,白细胞很容易识别出这是一种不受欢迎的入侵者,这使得白细胞更加容易包围微型集群机器人。在这些细胞内,微纳米机器人能够将细胞引导到脑部区域;Neutrobot 将药物送入大脑,并能够将药物直接输送到目标肿瘤。

发丝宽度1/100、磁控导航,哈工大微纳米机器人首次实现小鼠脑瘤的主动靶向治

图(A)中蓝色为纳米凝胶,橘色为大肠杆菌膜。

吴志光教授说,「Neutrobot 的应用是多方面的,更多的突破可能即将出现。它不是专门为治疗神经胶质瘤而设计的,而是用于治疗各种脑部疾病(如脑血栓形成、中风和癫痫)的主动输送平台。」

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