新希望！微型機器人或將奮戰抗腫瘤前線

　　 近來，合成微納米材料已經在生物醫學應用方面取得了巨大的進步。然而，現有的微納米平臺在深部組織成像和體內運動控制方面仍然不夠優秀。近日，加州理工學院的研究人員發表了關于光聲計算機斷層掃描（photoacoustic computed tomography，PACT）引導的體內腸道微型機器人的研究，在這兩方面都取得了進步。

　　盡管已有研究證明，各種基于微/納米顆粒的藥物遞送系統都可以在酸性胃環境中存活并擴散到腸道中，但是由于其在腸道內停留時間有限，所以藥物吸收效率仍然低下。

　　為了提高遞送效率，研究者已經探索了大量基于被動擴散的目標定位策略。但它們存在精度低、尺寸限制和特殊表面化學的問題。迫切需要這樣一種系統：能通過精確控制微型藥物輸送系統，實現有針對性的藥物遞送，且具有較長的滯留時間和可持續的釋藥特征。由于缺乏成像引導控制，目前還沒有關于使用微電機在體內進行精確靶向遞送的報道。另外，藥物遞送系統必須具有生物降解性和生物相容性，在其完成任務后能夠由身體安全清除。

　　如今，加州理工學院的研究人員做了光聲計算機斷層掃描（photoacoustic computed tomography，PACT）引導的體內腸道微型機器人的研究。他們的初衷，是治療消化道腫瘤。將微型機器人包裹在微膠囊中，在胃中可以保持穩定，并且一經釋放，微型機器人就可以在體內各種生物流體中表現出有效的推進力。此外，PACT在體內可以實時顯示微電機膠囊向腸道內靶區域的遷移。到達靶區域后，膠囊在近紅外光的照射下崩解，釋放出馱著“貨物”的微電機。微電機的強力推進有效延長了腸內滯留時間。新開發的微型機器人系統與PACT的集成，使微電機在體內能夠進行深部組織的成像和精確控制，具有實際的生物醫學應用價值，比如藥物輸送。

體內藥物遞送系統示意圖

　　具體來講，微型機器人主體為微型鎂金屬球（直徑約20um），表面鍍了一層薄薄的金屬金和聚對二甲苯（可以抵抗消化）的。金屬球表面留有圓形部分未被覆蓋，這部分裸露的金屬鎂與消化道中的流體反應，產生小氣泡。氣泡流像噴射器一樣向前推動球體，直到它與附近的組織碰撞。

　　如果僅僅是這樣的一個小機器人，則只能稱其為“光桿司令”。它被創造出來的使命，是對抗消化道的腫瘤組織。小機器人需要將士——藥物為它上陣殺敵。怎么帶領藥物這個能兵強將呢？

　　首先，研究者將一層藥物夾在單個微金屬球和聚對二甲苯涂層之間。接著，為了保護微型機器人免受胃中惡劣環境的影響，它們被包裹在由石蠟制成的微膠囊中。

　　目前，光學成像由于其高時空分辨率和分子對比而被廣泛用于生物醫學領域。然而，將傳統光學成像應用于深部組織，受到了強光學散射的阻礙，這抑制了超出光擴散極限的高分辨率成像（深度約1至2mm）。幸運的是，光聲斷層掃描（PAT）探測光子引起的超聲波，在深度遠遠超過光學擴散極限的情況下，實現了高分辨率成像。在PAT中，由組織內的發色團吸收的光子能量被轉換為聲波，隨后被檢測以產生具有光學對比度的高分辨率斷層圖像。利用軟組織中可忽略不計的聲散射，PAT在深處獲得了極好的空間分辨率。作為PAT的進階版，PA計算機斷層掃描（PACT）有著高時空分辨率、深度穿透（體內48 mm組織穿透）。憑借這些優勢，PACT有望在體內實現微電機的實時導航，適用于廣泛的應用，特別是藥物輸送。

　　現在，小機器人已經可以攜帶藥物，但仍缺乏將它們運送到所需位置的關鍵能力。為此，研究人員使用了光聲計算機斷層掃描（PACT）。紅外光在組織中擴散，被紅細胞中攜帶氧的血紅蛋白分子吸收，導致這些分子超聲振動。那些超聲波振動由壓在皮膚上的傳感器拾取。來自這些傳感器的數據，將被用于創建身體內部結構的圖像。

　　研究者已經證明PACT可用于鑒別乳腺腫瘤，甚至個別癌細胞。關于微型機器人，該技術強調兩點：首先是成像。研究人員可以通過PACT圖像在消化道中跟蹤微型機器人的位置并找到腫瘤。一旦微型機器人到達腫瘤附近，就可以通過高功率連續近紅外激光束激活它們。微型機器人在紅外光照射下會被短暫地加熱，使周圍的蠟膠囊熔化，并將其暴露在消化液中。此時微型機器人的“泡泡噴射器”激活，微型機器人開始聚集。接著，它們將附著在腫瘤表面，并釋放藥物。此外研究者表示，因為微型機器人是由鎂制成的，所以它們具有生物相容性和可生物降解性。

　　動物模型中的測試顯示，微型機器人的表現與預期一致。接下來，研究人員計劃評估這一系統的治療效果。此外，他們希望以后可以開發出可以在身體其他部位運行的微型機器人，以及不同類型的推進系統。