北理工团队发表综述，介绍「人造微纳米机器人」在医学领域的潜在应用

Robospeak 机器人大讲堂 2022-12-24

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人造微纳米机器人（又称微纳米马达）是一种介于微纳米尺度的智能动力装置，能将外部环境能量转化为自身运动动能，在靶向药物输送、精准医疗、生物传感和环境修复等领域有广阔的应用前景。

其最大优势在于可将众多外场能量（磁场、超声波、光等）转换为自身驱动力，并且凭借其可控性和可修饰性等优势，在微观世界自由穿梭。

图.人造微纳米机器人（微纳米马达）

▍拥有多个帮手的微纳米马达

目前微纳米马达的帮手有很多，拥有十分丰富的外场激励源，如超声场、电场、磁场、光等。而且设计微纳米马达的材料也十分丰富。随着合成技术的不断发展，作为新型高分子材料的水凝胶近年来成为了微纳米马达的应用对象。

因此，水凝胶基微纳米马达也得到快速发展，并凭借其优秀的物理化学特性，已经逐步成为微纳米马达研究领域的重要方向。

图.水凝胶基微纳米马达的分类、优点和应用

近日，来自北京理工大学的李金华教授团队在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems发表了综述（见下图），该综述总结了热响应、光热响应、磁热响应、pH 响应、离子强度响应和化学响应的水凝胶基微纳米马达的研究现状，并通过介绍微纳米马达在医学领域的潜在应用让读者了解这一新兴学科的最新进展。

论文地址：https://spj.sciencemag.org/journals/cbsystems/2022/9852853/

▍水凝胶助力制备微纳米马达

水凝胶基微纳米马达，优势有以下几点：

1.具有良好的生物相容性和生物降解性：大多数水凝材料（如明胶、胶原蛋白等水凝胶）在进入人体进行治疗和诊断时不会带来副作用，并且可以在完成任务后自行降解；

2.水凝胶自身拥有类似于软组织的性质：它的三维网络结构不仅可以存储大量水分，还可以装载药物分子、纳米颗粒甚至细胞；

3.容易加工：可以通过3D打印、4D打印或者其他技术来制备微纳米马达。

图. 水凝胶的透明特性

▍“微纳小医生”在医学领域大展身手

人送外号“微纳小医生”的微纳米马达在生物医学领域，能够做什么呢？

首先是通过对微纳米马达的可控操作，可以使其携带药物或者其它载体到达人体病变部位，通过识别和感知病变部位的pH值、温度、化学成分的变化，在病变部位响应性释放药物或其他载体，可加快局部反应以达到高效、精确、靶向治疗的目的。

在临床上，可借助医学影像系统定位病变部位，让微纳米马达沿着预设的路径运动，最终将其“导航”至靶向位置，进行疾病治疗。

可以说，“微纳小医生”的发展为无创或微创诊断和治疗绘制了美丽的蓝图，也大大减少了传统手术给患者带来的痛苦。同时，不同激励外场的微纳米马达有着不同的应用场合。

图.微纳米马达的靶向治疗示意图

图. pH响应的水凝胶基微纳米马达

▍“微纳小医生”的多个马甲

作者在文中提到“微纳小医生”（微纳米马达）可以由多种外场激励源来实现，并且介绍了其在医学领域的具体应用，首先是热响应的微纳米马达。下图b为一个手型的微纳米马达在感知温度变化后“抓取”细胞的过程，可用于生物活检。

图.热响应的水凝胶基微纳米马达

除了热响应型微纳米马达，光热和磁热响应型微纳米马达也越来越受关注。下图b为光热响应的微纳米马达夹持目标的示意图，当微纳米马达探测到温度差异时，马达的微夹钳收缩并夹持目标。利用这一现象，微纳米马达有望用于血管中去除血栓。

图. 光热响应的水凝胶基微纳马达

不仅如此，文中还介绍了pH响应、离子浓度响应、化学响应的水凝胶基微纳马达，感兴趣的小伙伴可以去详细了解：https://doi.org/10.34133/2022/9852853 。

▍结语

在过去十几年中，科研人员致力于设计和制造微纳米马达，以完成一些复杂而精细的任务。在应用领域上，微纳米马达作为一种新兴的动态平台，在精准医学、微创医学等方面具有广阔的应用前景。

大量的概念性递药和微型手术实验证明这类微型机器人很有希望成为下一代先进的动态治疗平台。

然而，当前的微纳米马达仍然亟需开发一个完全生物相容的体系，使其在生理环境下具有良好的运动能力并在特定位置展现出所需的功能，以更加满足实际生物医学领域应用的要求。

引用信息：Huaijuan Zhou, Guozhao Dong, Ge Gao, Ran Du, Xiaoying Tang, Yining Ma, Jinhua Li, "Hydrogel-Based Stimuli-Responsive Micromotors for Biomedicine", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9852853, 12 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9852853

排版 | 麦子

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