此类机器人的要求非常多，而且极具挑战性。例如，它们需要在体液（如胃酸）中存活，并且易于控制，这样才能精准地到达目标位置。它们还必须只在到达目标时释放医疗物质，然后才能被人体吸收，不会造成伤害。
现在，加州理工学院领导的团队开发出了满足所有这些要求的微型机器人。利用这些机器人，该团队成功地为小鼠提供了缩小膀胱肿瘤大小的治疗方法。
研究成果发表在《科学机器人》（Science Robotics）上，论文题为“成像引导的生物可吸收声学水凝胶微型机器人” 。
“我们设计了一个可以解决相关问题的平台，”加州理工学院医学工程教授、遗产医学研究所研究员、新论文共同通讯作者高伟说道，该团队将该机器人称为生物可吸收声学微型机器人 (bioresorbable acoustic microrobots，BAM)。
高教授说：“现在我们可以将微型机器人直接引导到肿瘤部位，以可控且有效的方式释放药物，而不是将药物放入体内并让其扩散到各处。”
微型或纳米机器人的概念并不新鲜。过去二十年来，人们一直在开发这些机器人的版本。然而，到目前为止，它们在生物系统中的应用受到限制，因为在血液、尿液或唾液等复杂的生物流体中精确移动物体极具挑战性，高教授说。机器人还必须具有生物相容性和生物可吸收性，这意味着它们不会在体内留下任何有毒物质。
加州理工学院开发的微型机器人是球形微结构，由一种名为聚乙二醇二丙烯酸酯的水凝胶制成。水凝胶是一种最初呈液体或树脂状的材料，当其中的聚合物网络交联或变硬时，就会变成固体。
这种结构和成分使水凝胶能够保留大量液体，从而使其中许多具有生物相容性。增材制造方法还使外球能够将治疗物质运送到体内的目标部位。
使用先进方法分析了声学水凝胶微型机器人在其共振频率下振动产生的流动模式，包括跟踪水中的微小颗粒和基于计算机的模拟。微型机器人的两个开口的位置在这里清晰可见。图片来源：Hong Han
为了开发水凝胶配方和制作微结构，高教授向加州理工学院的朱莉娅·R·格里尔 寻求帮助。她是材料科学、力学和医学工程的鲁本·F·和唐娜·梅特勒教授、弗莱彻·琼斯基金会卡弗里纳米科学研究所所长，也是该论文的共同通讯作者。
格里尔的团队擅长双光子聚合 (TPP) 光刻技术，该技术使用极快的红外激光脉冲，以非常精确的方式选择性地交联感光聚合物，使其符合特定图案。该技术允许逐层构建结构，类似于 3D 打印机，但在这种情况下，精度和形状复杂性要高得多。
格里尔的研究小组成功“编写”或打印出直径约为 30 微米的微结构，大约相当于人类头发的直径。
“这种特殊的形状，这种球体，写起来非常复杂，”格里尔说。“你必须知道一些诀窍，才能防止球体自行坍塌。我们不仅能够合成包含所有生物功能和所有医学必需元素的树脂，而且能够将它们写成具有必要空腔的精确球形。”
微型机器人的最终形态是将磁性纳米粒子和治疗药物整合到球体的外部结构中。磁性纳米粒子允许科学家使用外部磁场将机器人引导到所需位置。当机器人到达目标时，它们会停留在该位置，药物会被动扩散出去。
高和同事将微结构的外部设计成亲水性的，即对水有吸引力，这确保了单个机器人在穿过身体时不会聚集在一起。然而，微型机器人的内表面不能是亲水性的，因为它需要捕获气泡，而气泡很容易破裂或溶解。
为了构建外部亲水、内部疏水（或防水）的混合微型机器人，研究人员设计了一种两步化学改性方法。
首先，他们将长链碳分子附着到水凝胶上，使整个结构具有疏水性。然后，研究人员使用一种称为氧等离子蚀刻的技术从内部去除一些长链碳结构，使外部保持疏水性，内部保持亲水性。
“这是该项目的关键创新之一，”高教授说，他也是罗纳德和乔安妮威伦斯学者。
“这种不对称的表面改性，即内部是疏水的，外部是亲水的，确实使我们能够使用许多机器人，并且仍然可以在尿液或血清等生物流体中长时间捕获气泡。”
事实上，研究小组证明，采用这种方法，气泡可以持续数天之久，而其他方法则只能持续几分钟。
被困气泡的存在对于移动机器人和通过实时成像跟踪它们也至关重要。例如，为了实现推进，该团队将微型机器人球体设计成有两个圆柱形开口——一个在顶部，另一个在一侧。
当机器人暴露在超声波场中时，气泡会振动，导致周围的液体通过开口流离机器人，从而推动机器人在液体中移动。高团队发现，使用两个开口不仅使机器人能够在各种粘稠的生物流体中移动，而且速度比使用单个开口时更快。
每个微结构内都有一个类似蛋的气泡，它可以作为极好的超声成像造影剂，实现对机器人体内的实时监测。
在超声波成像专家 Mikhail Shapiro（加州理工学院马克斯·德尔布鲁克化学工程和医学工程教授、霍华德·休斯医学研究所研究员）、共同通讯作者、加州理工学院 DeepMIC 中心主任兼研究科学家吴迪以及共同通讯作者、南加州大学眼科和生物医学工程教授周启发的帮助下，该团队开发了一种跟踪微型机器人移动到目标的方法。
开发的最后阶段涉及测试微型机器人作为膀胱肿瘤小鼠的药物输送工具。研究人员发现，在 21 天内由微型机器人提供的四次治疗药物比未由机器人提供的治疗药物更能有效地缩小肿瘤。
“我们认为这是一个非常有前景的药物输送和精准手术平台，”高教授说。“展望未来，我们可以评估使用这个机器人作为一个平台，为不同的情况输送不同类型的治疗有效载荷或药剂。从长远来看，我们希望在人体上进行测试。”
信息源于：medicalxpress
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