科幻變現實！加州理工微機器人實現體內實時成像與控制，或將奮戰抗癌前線

導讀

正如科幻電影里所描述，未來微納米尺度的機器人可以在我們的體內游弋，攜帶藥物運動到病患區域，治療威脅人類生命的疾病。加州理工學院的高偉教授研究團隊和汪立宏教授研究團隊設計的可在腸道內實時定位並控制的微米機器人系統，正在向這些科幻作品中的情節一步步靠近……

作者：欣欣向文

編輯：Monday

靶向治療是一種與醫學本身一樣古老的做法，如給膝蓋的傷口貼創口貼、給骨折的胳膊固定石膏和給發癢的眼睛滴眼藥水，但是對於身體內部的疾病我們並不容易觸及，只能依賴血液循環運輸完成藥物的遞送，這種被動擴散發的方式可能受到多重生物屏障的阻礙而導致有效劑量不足，同時有可能引發全身性的毒副作用，難以完成精準的藥物傳遞需求。

微納機器人可在生物流體中進行可控的自主運動，被認為是靶向藥物遞送的理想方案。但是，對於微納機器人的實際醫學應用，如何讓微納機器人實現在體內實時成像和控制仍然面臨巨大的挑戰。

加州理工學院高偉教授團隊與汪立宏教授研究團隊的聯合研究成果為微納米機器人生物醫療中體內成像和控制的瓶頸提供了思路。研究團隊設計了基於光聲斷層掃描技術實現動物體內實施成像並控制的微機器人系統。

研究人員將微米機器人包裹於具有保護層的微膠囊內以免於胃酸等流體的侵蝕，藉助光聲斷層成像技術，包裹在微膠囊內的載葯微納機器人可在動物體內的實時定位，當微機器人膠囊抵達體內病患區域（比如腸道腫瘤）時，外源近紅外光可以穿透深層組織並引髮膠囊破裂從而釋放微機器人。

釋放出的微機器人依靠其高效遊動可穿越生物屏障最終實現在病患區域的滯留和持久的藥物傳遞。

微機器人系統包含的兩項關鍵技術：

（1）微機器人

微機器人由內而外依次是鎂球、薄金層、藥物層和聚對二甲苯層組成，外面三層並未完全覆蓋鎂球，留下了一塊類似舷窗的圓形區域，當微機器人暴露在消化液時，鎂球作為機器人的「燃料」與消化中的液體發生化學反應產生小氣泡推動球體運動，薄金層作為造影劑增強影響效果，聚對二甲苯層作為抵抗消化的保護層。

為了保護微機器人免受胃中的惡劣環境，它們被包裹在由石蠟製成的微膠囊中。當微膠囊口服之後將會順著消化道一直運動。一旦微機器人到達腫瘤附近，就會使用高功率連續近紅外激光束激活它們。由於微型機器人能夠大量地吸收紅外光，使它們被短暫地加熱，微膠囊的石蠟將會熔化，使得微機器人暴露在消化液當中。

未被覆蓋的鎂將會和消化液產生化學反應推動微機器人直到它與附近的組織碰撞。因為微機器人不具備轉向功能，所以這項技術就像是一種散彈槍的方法，儘管不會是所有的微機器人命中病灶區域，但是還是會很多微機器人命中目標，從而達到治療效果。

（2）光聲計算機斷層掃描成像技術（PACT）

光聲計算機斷層掃描是汪立宏教授開發的一種使用紅外激光脈衝成像技術。紅外激光通過組織擴散，被紅細胞中的攜氧血紅蛋白分子吸收，導致分子超聲振動，而這些超聲振動將由在皮膚上的感測器拾取。

來自這些感測器的數據，將被用於創建身體內部結構的圖像。通過使用PACT圖像，研究人員可以在消化道中找到腫瘤並跟蹤微機器人的位置。

正如加州理工學院的汪立宏教授所說：「微機器人概念真的很酷，因為你可以將微機械設備帶到你需要的地方，它們未來可以被用於藥物遞送或者智能微手術。」

最後附上論文下載地址：

https://robotics.sciencemag.org/content/4/32/eaax0613

END

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