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可在肠道内实时定位并控制的微米机器人系统

来源:2019-09-29 13:05:11

正如科幻电影里所描述,未来微纳米尺度的机器人可以在我们的体内游弋,携带药物运动到病患区域,治疗威胁人类生命的疾病。加州理工学院的高伟教授研究团队和汪立宏教授研究团队设计的可在肠道内实时定位并控制的微米机器人系统,正在向这些科幻作品中的情节一步步靠近……

这项突破性成果以A croroboc sysm guided by photoacoustic computedtomography for targeted navigation in intestines in vivo为题发表在最新一期的ScienceRobotics

靶向治疗是一种与医学本身一样古老的做法,如给膝盖的伤口贴创口贴、给骨折的胳膊固定石膏和给发痒的眼睛滴眼药水,但是对于身体内部的疾病我们并不容易触及,只能依赖血液循环运输完成药物的递送,这种被动扩散发的方式可能受到多重生物屏障的阻碍而导致有效剂量不足,同时有可能引发全身性的毒副作用,难以完成精准的药物传递需求。

微纳机器人可在生物流体中进行可控的自主运动,被认为是靶向药物递送的理想方案。但是,对于微纳机器人的实际医学应用,如何让微纳机器人实现在体内实时成像和控制仍然面临巨大的挑战。

加州理工学院高伟教授团队与汪立宏教授研究团队的联合研究成果为微纳米机器人生物医疗中体内成像和控制的瓶颈提供了思路。研究团队设计了基于光声断层扫描技术实现动物体内实施成像并控制的微机器人系统。

研究人员将微米机器人包裹于具有保护层的微胶囊内以免于胃酸等流体的侵蚀,借助光声断层成像技术,包裹在微胶囊内的载药微纳机器人可在动物体内的实时定位,当微机器人胶囊抵达体内病患区域(比如肠道肿瘤)时,外源近光可以穿透深层组织并引发胶囊破裂从而释放微机器人。

释放出的微机器人依靠其高效游动可穿越生物屏障最终实现在病患区域的滞留和持久的药物传递。

微机器人系统包含的两项关键技术:

(1)微机器人

微机器人由内而外依次是镁球、薄金层、药物层和聚对二甲苯层组成,外面三层并未完全覆盖镁球,留下了一块类似舷窗的圆形区域,当微机器人暴露在消化液时,镁球作为机器人的“燃料”与消化中的液体发生化学反应产生小推动球体运动,薄金层作为造影剂增强影响效果,聚对二甲苯层作为抵抗消化的保护层。

为了保护微机器人免受胃中的恶劣环境,它们被包裹在由石蜡制成的微胶囊中。当微胶囊口服之后将会顺着消化道一直运动。一旦微机器人到达肿瘤附近,就会使用高功率连续近红外束激活它们。由于微型机器人能够大量地吸收红外光,使它们被短暂地加热,微胶囊的石蜡将会熔化,使得微机器人暴露在消化液当中。

未被覆盖的镁将会和消化液产生化学反应推动微机器人直到它与附近的组织碰撞。因为微机器人不具备转向功能,所以这项技术就像是一种散弹枪的方法,尽管不会是所有的微机器人命中病灶区域,但是还是会很多微机器人命中目标,从而达到治疗效果。

(2)光声断层扫描成像技术(PACT)

光声计算机断层扫描是汪立宏教授开发的一种使用红外激光脉冲成像技术。红外激光通过组织扩散,被红细胞中的携氧血红蛋白分子吸收,导致分子超声振动,而这些超声振动将由在皮肤上的拾取。

来自这些传感器的数据,将被用于创建身体内部结构的图像。通过使用PACT图像,研究人员可以在消化道中找到肿瘤并跟踪微机器人的位置。

正如加州理工学院的汪立宏教授所说:“微机器人概念真的很酷,因为你可以将微机械设备带到你需要的地方,它们未来可以被用于药物递送或者智能微手术。”


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