科学家发明最小尺度的可靠药物递送

最新人工微管可助微纳米机器人“逆流而上”

受蛋白马达沿着细胞微管运动的启发，来自苏黎世联邦理工学院和宾夕法尼亚大学的研究团队研发了磁性的人工微管，用来在复杂的体内环境下快速和可靠地传输磁性微纳米机器人，未来可能用于通过微血管更准确地递送药物到早期的肿瘤中。7月21日，该研究结果在线发表在Nature Machine Intelligence杂志上。

自1966年的好莱坞电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）以来，可以在体内导航并治愈疾病的微型机器人一直是科学家和工程师的梦想。过去十年中，世界各地的研究人员开发了许多自主移动的磁性微纳米机器人。科学家可以通过外界的磁场控制它们在三维环境中游动，并且微纳米机器人在功能性上也有了很大的发展。然而，由于这些微纳米机器人的运动速度相对较低，而且速度依赖于周围的流场环境和边界，需要集成准确的跟踪定位系统、强大的磁性驱动以及复杂的控制算法。

“递送微纳米机器人沿着血液逆流而上到达肿瘤，是一件可能但是极其困难的事情”，文章的第一作者和通讯作者顾红日向《中国科学报》解释道：“操作难度好比控制四旋翼无人机在暴风雨中送快递到遥远的村庄，只是我们还要把它缩小成千上万倍。”

在现有的微创治疗中，医用导管是最稳定可靠的递送方案，药物可以通过一个封闭的管道到达指定的位置。然而，到目前为止，这种封闭的传输方案很难被小型化，因为在小尺度下，流体的粘滞阻力会非常显著，以至于药物没有办法“逆流而上”。

为了克服这些障碍，顾红日及其同事从生物学中寻找灵感：“微管是细胞骨架的一部分，它使用蛋白马达将囊泡运输到细胞中的不同位置。这些蛋白马达并不需要一个封闭的环境，相反，他们通过和微管的相互作用沿着微管一步一步前进。”

受此启发，顾红日等人说干就干，试图通过设计磁性人工微管和磁性微纳米机器人复制相似的传输过程。

微管的主动传输（左）和人工微管（右）

并不似其名——人工微管并没有管状的结构，而是实心的纤维内嵌了许多小磁体。虽然它只有 80 微米宽，但可以有几厘米长，像一根头发丝一样。通过施加旋转磁场，磁性微纳机器人可以与小磁体相互作用，并用磁力有效地推进。与现有技术相比，在同样的驱动频率下快了大概一个数量级。

研究人员还发现，人工微管可以做到逆流而上，甚至在甘油中也可以快速移动。研究还发现了一种“集群运动模式”， 微小的磁性颗粒可以通过自组织，变成大型的颗粒簇，通过粒子相互推动，更加有效和快速地沿着人工微管移动。

磁性颗粒在人工微管上的自组装和团簇

尽管在成像、材料、驱动、控制和导航方面取得了诸多进步，但由于人体环境的高度复杂性和这些过程的低可靠性，在体内驱动微纳米机器人仍然非常具有挑战性。通过引入人工微管，我们相信这些“微型机器人的微型高速公路”可以为帮助已有的磁性微型机器人，通过结合已有的微型导管和导航技术，让未来的精准医疗更进一步。

在微血管网络中应用人工微管的使用场景

作者在论文中介绍了人工微管在微血管网络中应用的场景 首先，将微导管（直径~0.5?mm）插入至其无法进入较小血管的极限处。 然后，将人工微管（直径 ~0.05?mm）推出，并以磁性方式将其引导至细小的血管分支，并通过驱动微型载药机器人到达目标肿瘤。 与自由游动的微型机器人相比，微型机器人沿人工微管的运输速度更快、更稳健。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s42256-022-00510-7