原創 未來光錐加速器 我是科學家iScientist 收錄於合集 #科學前沿 62個

如果不做手術，怎樣才能清除大腦中的血凝塊？如何將藥物準確遞送至難觸及的病灶中？在醫學微型機器人領域的研究人員眼中，這只是他們所設想的無數創新中的兩個例子，微型機器人技術具有徹底改變醫學的潛力。最近，馬普-蘇黎世學習系統研究中心（Max Planck ETH Center for Learnings Systems，CLS）的研究人員開發出一種成像技術，首次在生物體內精確追蹤探測細胞大小的微型機器人。

研究人員普遍認為，迴圈系統是微型機器人的理想傳輸途徑，它可以到達身體內所有器官和組織。微型機器人有望從根本上改變未來醫學治療的模式：或許有一天，它們可以穿梭於病人的血管中，殺死惡性腫瘤，對抗感染，以及提供無創且精確的診斷資訊。

你能想象出最小的機器人有多小？用於醫療領域的微型機器人必須比細胞更小，才能進行安全可靠的醫療干預。一微米是一米的百萬分之一，在人體中一個細胞的平均直徑為25微米，毛細血管作為人體內最細的血管，平均直徑甚至只有8微米。這就意味著，如果要微型機器人不受阻礙地透過毛細血管，它們必須小於8微米。然而，人們無法用肉眼觀察到如此微小的機器人，科學家們此前也沒能找到一種技術方案來探測和跟蹤微米級的機器人在人體內的迴圈。

人體血管內的紅細胞 | Pixabay

對微型機器人的首次跟蹤

“在微型機器人能實際服務於人類之前，我們有必要對它們進行精確的視覺化和跟蹤。”本文的第一作者，馬普-蘇黎世學習系統研究中心的博士研究員Paul Wrede說。

“沒有成像技術的輔助，微型機器人約等於盲人。因此，實時、高解析度的成像對於探測和操控生物體內細胞大小的微型機器人至關重要。”馬普-蘇黎世學習系統研究中心成員、蘇黎世聯邦理工學院和蘇黎世大學的生物醫學成像教授Daniel Razansky補充道。此外，成像技術也是監測機器人執行治療，並驗證它們的任務完成度的先決條件，“因此，若要將微型機器人應用於臨床，需要研發成像系統對其進行實時追蹤。”

最近，該團隊在《科學·進展》（Science Advances）上發表的一項研究顯示，他們成功利用非侵入性成像技術，在小鼠的腦血管中實時清晰地探測和跟蹤了5微米大小的微型機器人。該團隊與世界領先的微型機器人專家、馬克斯普朗克智慧系統研究所（MPI-IS）所長、物理智慧教授Metin Sitti以及其他研究人員一起，在微型機器人與成像技術有效結合方面取得了重大突破。

網頁截圖

研究人員使用了尺寸從5微米到20微米的微型機器人，其中最小的與紅細胞大小相仿，直徑7到8微米。這樣大小的微型機器人在靜脈注射時甚至可以穿過小鼠大腦中最細的微毛細血管。

同時，研究人員還開發了一種專用的光聲斷層掃描技術，以便實時、高解析度地連續監測進入身體和大腦深處難觸及區域的機器人，這是光學顯微鏡或任何其他成像技術都無法做到的。這種方法被稱為光聲成像技術，由於光能夠被各種組織發射和吸收，吸收後產生的微小超聲波可用於檢測和分析，因此能產生高解析度的體積重建影象。

“雙面”雅努斯機器人

為了使微型機器人在影象中清晰可見，研究人員需要找到一種合適的對比材料。他們使用了球形矽微粒子材料的微型機器人，並採用了雅努斯式塗層。雅努斯是古羅馬神話中的門神、保護神，也稱為雙面神。科學家們從中獲得靈感，使微型機器人球體的兩面塗層不同，一半為鎳，一半為黃金。這種型別的機器人具有堅固的結構，非常適合執行復雜的醫療任務。

球形微型機器人由二氧化矽基顆粒組成，一半塗有鎳 （Ni），另一半塗有金 （Au），並裝載有綠色染色的奈米氣泡（脂質體）。透過這種方式，可以使用新的光聲成像技術單獨檢測它們 | ETH Zurich / MPI-IS

微型機器人的“雙面”結構

“對於光聲成像技術來說，黃金是一種非常好的對比材料。”Razansky解釋道，“如果沒有黃金層，微型機器人產生的訊號就太微弱，無法被檢測到。”除了黃金，研究人員還測試了一種叫做奈米脂質體的微泡，其內含一種熒光綠色染料，也可以用作對比劑。Wrede補充道：“奈米脂質體還有一個優點，就是可以其裝載藥物，這有助於未來藥物靶向治療。”脂質體的潛在用途將在之後的工作中進一步研究。

用光聲成像技術逐一觀察到小鼠血管中的微型機器人 | ETH Zurich / Max Planck Institute for Intelligent Systems

此外，黃金塗層還可以最大限度地減少鎳鍍層的細胞毒性——畢竟，如果未來微型機器人要在活體動物或人體內活動，它們必須具有生物相容性和無毒性。在目前的研究中，研究人員使用鎳作為磁性驅動介質，並用一個單一的永久磁體來操控機器人。在後續的研究中，他們希望透過使用旋轉磁場進行更復雜的操作來測試光聲成像。

“後續研究將著重探測如何在血液快速流動的狀態下，精確地操控微型機器人。”Metin Sitti說，“在目前的研究中，我們主要關注微型機器人的視覺化。這個專案能取得重大突破，要歸功於CLS極好的協作環境，使得在斯圖加特MPI-IS的機器人研究小組和蘇黎世聯邦理工學院的成像研究小組的專業知識得以有效結合。”

參考文獻

［1］https：//www。science。org/doi/10。1126/sciadv。abm9132

［2］https：//phys。org/news/2022-05-imaging-method-tiny-robots-visible。html

編譯：四七

編輯：靳小明

排版：尹寧流

題圖來源：參考文獻［1］

研究團隊

通訊作者 Daniel Razansk：教授，資訊科技與電氣工程系的生物醫學影像學系，蘇黎世大學醫學院和蘇黎世聯邦理工學院

第一作者 Paul Wrede：博士研究員，物理智慧，馬普-蘇黎世學習系統研究中心

課題組網址

https：//is。mpg。de/overview

http：//www。razanskylab。org/

論文資訊

釋出期刊 《科學·進展》 Science Advances

釋出時間 2022年5月11日

論文標題 Real-time 3D optoacoustic tracking of cell-sized magnetic microrobots circulating in the mouse brain vasculature

（DOI：https：//doi。org/10。1126/sciadv。abm9132）

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原標題：《如何追蹤比細胞還小的微粒？科學家們開發光聲成像系統，有助於監測生物體內微米級機器人》