最新人工微管可助微納米機器人“逆流而上”

　　受蛋白馬達沿著細胞微管運動的啟發，來自蘇黎世聯邦理工學院和賓夕法尼亞大學的研究團隊研發了磁性的人工微管，用來在復雜的體內環境下快速和可靠地傳輸磁性微納米機器人，未來可能用于通過微血管更準確地遞送藥物到早期的腫瘤中。7月21日，該研究結果在線發表在Nature Machine Intelligence雜志上。

　　自1966年的好萊塢電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）以來，可以在體內導航并治愈疾病的微型機器人一直是科學家和工程師的夢想。過去十年中，世界各地的研究人員開發了許多自主移動的磁性微納米機器人。科學家可以通過外界的磁場控制它們在三維環境中游動，并且微納米機器人在功能性上也有了很大的發展。然而，由于這些微納米機器人的運動速度相對較低，而且速度依賴于周圍的流場環境和邊界，需要集成準確的跟蹤定位系統、強大的磁性驅動以及復雜的控制算法。

　　“遞送微納米機器人沿著血液逆流而上到達腫瘤，是一件可能但是極其困難的事情”，文章的第一作者和通訊作者顧紅日向《中國科學報》解釋道：“操作難度好比控制四旋翼無人機在暴風雨中送快遞到遙遠的村莊，只是我們還要把它縮小成千上萬倍。”

　　在現有的微創治療中，醫用導管是最穩定可靠的遞送方案，藥物可以通過一個封閉的管道到達指定的位置。然而，到目前為止，這種封閉的傳輸方案很難被小型化，因為在小尺度下，流體的粘滯阻力會非常顯著，以至于藥物沒有辦法“逆流而上”。

　　為了克服這些障礙，顧紅日及其同事從生物學中尋找靈感：“微管是細胞骨架的一部分，它使用蛋白馬達將囊泡運輸到細胞中的不同位置。這些蛋白馬達并不需要一個封閉的環境，相反，他們通過和微管的相互作用沿著微管一步一步前進。”

　　受此啟發，顧紅日等人說干就干，試圖通過設計磁性人工微管和磁性微納米機器人復制相似的傳輸過程。

　　并不似其名——人工微管并沒有管狀的結構，而是實心的纖維內嵌了許多小磁體。雖然它只有 80 微米寬，但可以有幾厘米長，像一根頭發絲一樣。通過施加旋轉磁場，磁性微納機器人可以與小磁體相互作用，并用磁力有效地推進。與現有技術相比，在同樣的驅動頻率下快了大概一個數量級。

　　研究人員還發現，人工微管可以做到逆流而上，甚至在甘油中也可以快速移動。研究還發現了一種“集群運動模式”， 微小的磁性顆粒可以通過自組織，變成大型的顆粒簇，通過粒子相互推動，更加有效和快速地沿著人工微管移動。

　　盡管在成像、材料、驅動、控制和導航方面取得了諸多進步，但由于人體環境的高度復雜性和這些過程的低可靠性，在體內驅動微納米機器人仍然非常具有挑戰性。通過引入人工微管，我們相信這些“微型機器人的微型高速公路”可以為幫助已有的磁性微型機器人，通過結合已有的微型導管和導航技術，讓未來的精準醫療更進一步。

　　作者在論文中介紹了人工微管在微血管網絡中應用的場景 首先，將微導管（直徑~0.5?mm）插入至其無法進入較小血管的極限處。 然后，將人工微管（直徑 ~0.05?mm）推出，并以磁性方式將其引導至細小的血管分支，并通過驅動微型載藥機器人到達目標腫瘤。 與自由游動的微型機器人相比，微型機器人沿人工微管的運輸速度更快、更穩健。