猫耳网 2018-11-08 13:55:49 热度:

不再是科幻,科学家研发纳米机器人可钻入眼球来运送药物!

 来源/is.mpg.de/en/news/nanorobots-propel-through-the-eye

本文基于创作共用协议(BY-NC)由猫眼科技(maoyanTC)发布

当我们还在忙着刷手机看着满天飞的无聊段子时,科学家们正努力的将科幻变成现实,默默对抗着困扰人类的灾厄问题!大众似乎从来不关心科学家们的研究成果,从某种意义上来说这不是什么好事儿。正如本期内容所关注的纳米机器人针对医学领域的研究,或许再过几年,它们就可以携带着某种药物进入我们体内去治愈复杂的疾病,但假如那时的我们对此依然毫无认知?就会如井底之蛙般对命运束手无措...

科学家们最近开发出了一种特殊涂层的纳米尺寸“运载工具”,它可以在像眼睛的玻璃体这样的密集组织中活跃的移动。到目前为止,纳米载体的传输仅在模型系统或生物流体中得到了证实,而在真实组织中还没有得到证实。这项研究成果发表在《科学进步》杂志上,这是朝着纳米机器人成为精确地将药物送到“目的地”的最小侵入性工具的方向迈出的重要一步。

纳米机器人注入眼球示意图 图源/is.mpg.de

位于斯图加特的马克斯普朗克智能系统研究所的“微观、纳米和分子系统”实验室的研究人员与一个国际科学家团队(包括中国的科学家)一起研制出了螺旋桨状的纳米机器人,这种机器人第一次能够钻入眼睛中普遍存在的致密组织。

他们在“纳米钻头”上涂上了一层不粘涂层,纳米钻头的宽度只有500纳米,它足够的小,足以穿透眼球玻璃体中凝胶状物质的紧密分子基质。这种钻头比人类头发的直径小200倍,甚至比细菌的宽度还要小。他们的形状和光滑的涂层使纳米推进器能够相对不受阻碍地通过眼睛移动,而不损害眼睛周围的敏感生物组织。

纳米机器人 图源/is.mpg.de

这是科学家们第一次实现能够引导纳米机器人穿过密集的组织,因为到目前为止,这只在模型系统或生物液体中得到了证实。研究人员的愿景是有一天在纳米推进器上装载药物或其他治疗剂,并引导它们到达一个目标区域,在那里它们可以把药物送到需要的地方,以此来治愈疾病!

分子基质就像一张双面胶带组成的紧密网

在致密的生物组织内靶向给药是非常有挑战性的,特别是在这些极小的尺度上:首先,眼球内部组织粘性稠密,这是纳米推进器必须挤压的紧密的分子基质。它起着屏障的作用,阻止较大结构的渗透。其次,即使满足了尺寸的要求,生物聚合物网络在眼睛中的化学特性仍然会导致纳米螺旋桨卡在这个分子网格中。

想象一下,一个小螺丝钉在双面胶带组成的网络中穿行有多难...

第三,精确的驱动它们也是一个挑战。在制造纳米推进器时,科学家们通过添加磁性材料(如铁)克服了这一点,这使得他们能够将带有磁场的钻头导向所期望的目的地。

研究人员还克服了其他的障碍,即使每个纳米螺旋桨尺寸不大于500纳米,并采用双层不粘涂层。第一层是结合在表面的分子,第二层是液态氟碳图层。这样大大降低了纳米机器人与周围组织之间的粘着力。

全氟化碳涂层的“光滑”螺旋桨 图源/sciencemag.org 所发表的论文

这项研究的第一作者吴志光(中国科学家)解释说:“对于涂层,我们向大自然寻求了灵感。”他是 MPI-IS(马克斯普朗克智能系统研究所)的洪堡研究员,现在是加州理工学院的博士后。“在第二步中,我们在肉食性水罐植物(猪笼草)上发现了一层液体层,它在蠕动孔上有一个光滑的表面,用来捕捉昆虫。它就像一个不粘锅的特氟龙涂层。这种光滑的涂层对于机器人在眼睛内的高效推进至关重要,因为它最大限度地减少了玻璃体中的生物蛋白质网络与纳米机器人表面之间的粘附。”

纳米螺旋桨在完整眼球中的运动 图源/sciencemag.org 发表的论文

“纳米机器人的推进原理,它们的小尺寸,以及光滑的涂层,将是非常有用的,不仅在眼睛中,而且对于人体内各种组织的渗透都是有用的。”田秋说。(同样来自中国,他是论文的作者之一,同时也是 MPI-IS 微观、纳米和分子系统实验室的组长。

田秋和吴志光都是一个国际研究团队的成员,他们的课题是“一群光滑的微型螺旋桨穿透眼睛的玻璃体”。此外,斯图加特大学,海德堡马克斯普朗克医学研究所,中国哈尔滨工业大学,丹麦胡斯大学和蒂宾根大学眼科医院也为这项开创性工作作出了贡献。

下面这张照片是在眼科医院,研究人员在解剖的猪眼中测试他们的纳米螺旋桨,并在光学相干断层扫描的帮助下观察螺旋桨的运动,这是一种临床批准的成像技术,广泛用于眼科疾病的诊断。

穿过眼睛走向视网膜

研究人员用小针将数万个细菌大小的螺旋机器人注入眼睛的玻璃体内。在周围磁场的帮助下旋转纳米推进器,然后它们游向视网膜,在那里蜂群般的着陆。光滑的纳米机器人已经可以穿透眼睛,能够实时精确地控制它们是研究人员的目标。所以它并没有就此结束:研究团队准备在其中一天利用他们的纳米机器人进行定向应用。“这就是我们的愿景”,田秋说。“我们希望能够用我们的纳米机器人作为各种疾病的微创治疗工具,一些疾病的问题区域很难触及,而且被密集的组织包围着。未来不会太远,我们将能够装载药物。”

对于斯图加特的科学家来说,这并不是他们开发的第一个纳米机器人。几年来,他们一直在利用由 Peer Fischer 教授领导的“微观、纳米和分子系统”研究小组开发的复杂的 3D 制造工艺来制造不同类型的纳米机器人。数以亿计的纳米机器人可以在几个小时内,通过在高真空下将二氧化硅和其他材料(包括铁)蒸发到转动的硅晶片上被制造出来。

关于研究团队——

吴志光博士于2015年在中国哈尔滨工业大学获得化学工程与技术博士学位。2013至2015年间,他是加州大学圣迭戈分校纳米工程系的客座学生。吴是洪堡研究所的研究员和“微型、纳米和分子系统”实验室的马克斯·普朗克智能系统研究所的博士后研究员,现在是加州理工学院的博士后。

田秋博士是清华大学机械工程专业学士以及生物医学工程专业硕士。是斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所“微型、纳米和分子系统”实验室生物医学微系统小组组长。他获得了瑞士洛桑综合技术学院(EPFL)的博士学位。他是马克斯·普朗克-ETH学习系统中心的联合研究员,也是国际马克斯·普朗克智能系统研究学院(IMPRS-IS)的讲师。他在汉姆林医学机器人研讨会上获得了国家优秀自费留学生奖和最佳微型机器人设计奖。

Peer Fischer 博士是斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所“微型、纳米和分子系统”研究小组的负责人,他是斯图加特大学的物理化学教授。他是哈佛大学的罗兰研究员。菲舍尔教授获得了ERC启动赠款,赢得了世界技术奖,并持有ERC高级赠款。他是英国皇家化学学会的研究员。


时间:2018-11-08 13:55:49  来源:搜狐科技    作者:秩名


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