Advanced Materials:微纳米机器人在生物医学领域的应用和发展趋势

科幻电影Fantastic Voyage(奇妙旅程)讲述了五名美国医生被缩小至微米尺度,乘坐潜艇被注射进病人体内进行血管手术,任务完成后再经眼睛逃出的故事。虽然电影中的故事并不真实,但是却寄托了人类对于将微纳米机器人技术用于人类疾病诊断和治疗的迫切渴望。区别于我们日常生活中所看到的宏观尺度机器人,微纳米机器人由于具有非常微小的尺寸,以及很好的运动可操控性,因而可以以微创甚至无创的方式进入人体内一些狭小和常规医疗方法难以到达的组织和器官中,对诸多疾病的治疗具有巨大的应用前景。

为了得到一个微纳米尺度的机器人,我们通常需要考虑以下四个方面:(1) 微纳米机器人的成分和结构,生物相容性和生物降解性;(2) 微纳米机器人的功能化,如我们可以在机器人上装某些药物、蛋白质、荧光染料等等来实现某些应用上或者是在定位上的功能;(3) 微纳米机器人的驱动控制,如磁、光、超声等不同的能量形式;(4) 微纳米机器人在用于体内时的追踪手段,比如在浅层组织内,我们可以用荧光成像追踪,而在深层组织或器官内,我们可以采用超声成像或是磁共振成像等技术。在充分的考虑到上述几方面的因素后,我们可以利用微纳米机器人技术来解决许多生物医学领域的难题。相比于被动扩散的胶体粒子或纳米载体,微纳米机器人具有更好的主动性,有利于优化和增强载体在病灶部位的定向富集。 近日,香港中文大学张立教授和深圳大学王奔博士,联合英国曼切斯特大学Kostas Kostarelos教授和瑞士苏黎世联邦理工学院Bradley J. Nelson教授共同在Wiley材料类期刊Advanced Materials上发表了题为”Trends in Micro-/Nanorobotics: Materials Development, Actuation, Localization, and System Integration for Biomedical Applications”的长篇综述,从微纳米机器人的设计、微纳米机器人的表面功能化、微纳米机器人的驱动控制、以及微纳米机器人的成像追踪等四个重要方面,总结了近些年来微纳米机器人在疾病诊断、微创手术、靶向药物或细胞递送、伤口愈合等具体生物医学问题上的应用。另外,作者们也特别总结和分析了单个微纳米机器人和集群型微纳米机器人在生物医学领域的应用范畴,指出集群型微纳米机器人群中,个体间的协同作用将是未来开发医用微纳米机器人诊疗系统的重要策略。该综述文章围绕着如何进一步推动微纳米机器人在体内和未来在临床上的应用,从材料开发、驱动控制技术、和定位追踪手段等方面进行了深入的总结和分析。开发驱动控制系统和定位追踪技术相结合的微机器人一体化平台,结合具有特定功能性的微纳米机器人执行单元集群,将是未来开拓新型医用微纳米机器人的重要方式。该文章第一作者为深圳大学助理教授王奔,通讯作者为香港中文大学副教授张立。