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MIT团队发明受磁场操控的微型机器人实现

2019-12-03 04:47:51来源:励志吧0次阅读

MIT团队发明受磁场操控的微型机器人,实现更精准的靶向给药

纳米颗粒药物可以在血液中穿梭,直达病灶,实现精准靶向给药,在治疗肿瘤等疾病上潜力巨大。但受到血流阻力和血管壁阻碍,相关研究一直面临着药物输送困难的问题,现有技术尚未完全发挥纳米颗粒的最大价值。

因此,如何让更多的药物穿过血管,并且在正确的位置聚集,是很多团队的研究重点。

最近,麻省理工学院(MIT)的工程师们设计出了一种微型机器人,由 3D 打印而成,其大小和细胞类似,整体呈螺旋结构,表面涂有镍钛双涂层,可以通过外部磁场控制。

在磁力的帮助下,它们能够克服血流阻力,穿越血管壁,向肿瘤等病变组织输送纳米颗粒药物,实现精准而深入的药物输送,效果是普通输送方法的两倍。研究团队还尝试了天然存在的趋磁细菌,也实现了类似的效果。

图 | 微型机器人(左上)和趋磁细菌(右上)(来源:MIT)

未来,他们将尝试输送更大的纳米颗粒,还计划展开动物实验,进一步探索提升药物输送效率的方法。

研究团队的负责人是麻省理工学院的 Sangeeta Bhatia教授和苏黎世联邦理工学院助理教授(前麻省理工学院博士后)Simone Schuerle。研究成果发表于《科学进展》期刊上。

人造鞭毛

为了解决药物输送困难的问题

,研究团队将目光转向了微型磁性机器人,探索磁场和磁力能否用来提高药物的传输效率。

研究人员首先使用了高分辨率 3D 打印技术,制造出长度约为 36 微米,体积只有细胞大小的微型机器人(微米级别),从而保证它能够穿过血管。

他们借鉴了细菌的移动机制,将机器人的形状确定为螺旋状,并称其为人造细菌鞭毛(ABF)一些细菌身上长有数量不等的鞭状螺旋形细丝,被称为鞭毛,可以帮助自身移动。这种螺旋形状可以帮助机器人更好地在血液中移动。

最后他们在机器人的表面涂上了镍钛双涂层,使其具有磁性,能够通过外部磁场控制。

图 | 3D 打印的螺旋体,可以在磁场的控制下移动(来源:MIT)

为了测试机器人能否掌控周围的纳米颗粒,研究团队开发了一种模拟肿瘤周围血管的微流体系统(模型)。该系统中的血管通道宽度在 50 到 200 微米之间,内部覆盖有凝胶,上面还有不规则分布的孔洞,用来模拟肿瘤附近的破裂血管。

他们使用磁铁控制机器人的行动,使其在通道中旋转和移动。机器人的移动方向经过特殊设计,正好与液体流动方向相反, 因此两者形成了对流,机器人也可以保持在特定位置。随后,对流会将大小约 200 纳米的聚苯乙烯颗粒推向模型中的目标组织。

实验结果显示,在微型机器人的帮助下,纳米颗粒渗入组织的深度是没有帮助时的两倍,输送效率大幅提升。

图 | 在体液流动中保持位置的微型机器人,其背后是纳米级聚苯乙烯颗粒(来源:MIT)

这样的药物输送模式有望与支架结合。静止的支架可以成为很好的目标,适合作为磁场的瞄准对象,然后用微型机器人输送药物,缓解支架部位出现的发炎等症状。

趋磁细菌

除了微型机器人,研究团队还尝试了另一种办法:利用磁场操控自然界中存在的趋磁细菌,用它们输送药物颗粒。他们使用的细菌名为Magnetospirillum magneticum,可以天然生成氧化铁链,用来帮助自身定位和寻找合适的环境。

如果将这些细菌放入微流体模型中,再在特定方向上施加旋转磁场,它们就会同步旋转并沿相同方向移动,同时拉扯和带动周围的纳米颗粒,使其渗入目标组织。

结果显示,在趋磁细菌的帮助下,纳米颗粒的渗入速度是普通状态下的三倍。

图 | 趋磁细菌可以带动周围的纳米颗粒(来源:MIT)

研究人员表示,相比微型机器人,使用天然细菌输送药物更适用于治疗肿瘤等疾病,因为病灶区域的视觉反馈信息难以获龋

值得一提的是,实验之中使用的纳米颗粒足以携带大量有效药物或成分,不仅可以针对肿瘤,还可以用于 CRISPR 基因技术,具有很强的拓展性。

未来,研究团队计划在动物模型上展开实验,探索两种方法的可行性,希望有朝一日可以用来帮助治疗人类的疾玻

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