作者:赵熙熙 来源:中国科学报 发布时间:2017/11/27 9:20:28
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科学家用磁场操纵藻类机器人
可穿过身体并杀死癌细胞

 

螺旋藻    图片来源:《科学》

本报讯 几十年来,工程师们一直在努力打造能够在人体内部运送药物或进行手术的医疗机器人——这在1966年的科幻电影《奇异之旅》中并没有多么神奇。

现在,通过对磁信号的响应,科学家已经能够操纵螺旋藻——一种微小的植物和食物补充剂——从人体中穿过。这种生物混合机器人有朝一日可以将药物运送到身体的特定部位,从而减少副作用。更有甚者,这种机器人以及它的磁场似乎可以杀死癌细胞。

作为一种海藻,螺旋藻看起来就像一个微小的螺旋状弹簧。在微观层面,研究人员一直在尝试用杆、管、球,甚至不比细胞大的笼子制造机器人,并取得了不同程度的成功。

在这些微型设备上安装有足够动力的电源是一项相当具有难度的挑战,因为大多数潜在的燃料对人类都是有害的。另一个问题是,为这种微型机器人在身体的蛋白质和其他分子迷宫中导航,需要一种控制其运动并观察其位置的方法。

因此,中国香港中文大学的材料科学家张力(音译)就把目光转向了磁性和生物有机体。在身体外部产生的磁场可以穿透活体组织而不对其产生伤害,从而使得研究人员能够在体内移动磁化的物体。

为了最大限度地提高移动性,能够快速旋转的螺旋体无疑是最好的。也就是说加入螺旋藻。“你能在自然界中找到这样一个方便的结构并且表现得非常好,这是很让人惊讶的。”并未参与该项研究的Peer Fischer说。他是德国斯图加特市马克斯·普朗克学会智能系统研究所的物理化学家。

几年前,张力和他的同事曾把海藻作为一种合成微机器人的灵感来源,并在某种程度上起到了作用。这一次,科学家们决定使用海藻本身。

他们需要一种方法追踪在人体内的机器人,而海藻则能够产生一种荧光。研究人员于是寻思,他们是否可以通过检测这种荧光追踪机器人在身体表面附近的轨迹,然后使用一种常用的被称为核磁共振(NMR)的医学成像技术,在身体的更深处追踪它。NMR通过检测在成像前提供给病人的磁性粒子来工作。

研究人员开发了一种一步合成法来磁化海藻——用氧化铁纳米颗粒包裹了数百万个螺旋藻。较长的浸出时间可以实现更多的控制,但是较短的浸出时间却使研究人员能够更容易地检测到荧光。当机器人对于这种方法来说因太深而无法操作时,NMR仍然可以跟随机器人的路线,这是缘于后者的涂层。研究人员11月22日在《科学机器人》杂志上报告了这一研究成果。通过NMR,研究人员观察到,在磁场引导下,微型机器人在老鼠的胃里聚集。

美国加利福尼亚大学圣迭戈分校纳米工程师Joseph Wang说:“这是一个进步,你可以在身体内追踪这些游泳者。”他正在开发一种不同的医疗微机器人。“它具有生物相容性和低成本。”

生物相容性是一个非常重要的特性。微型机器人会在数小时或数天内降解,这取决于其涂层的厚度;但它不会损害大多数细胞。唯一的例外是癌细胞——在实验室培养皿中生长的肿瘤细胞,大约有90%在暴露于螺旋藻中48小时后被杀死了。进一步的测试表明,螺旋藻会产生一种仅对癌细胞有毒性的化合物。“杀死肿瘤细胞的行为似乎是一个有趣的、意想不到的特征。”Fischer说。

但是对于全世界现有的6支正在开发这种微型机器人的研究团队来说,未来还有很长的路要走。例如,张力的团队仍然需要证明他们的微机器人可以携带货物——例如在螺旋体中附着的药物,并且能够比服用或注射更有效地传递这些药物。

“它还没有准备好供医生使用。”Wang说,但他认为再过10年,这项技术可能就已经准备好了。“每个人都想实现这个奇妙的旅程。”

(赵熙熙)

《中国科学报》 (2017-11-27 第2版 国际)
 
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2017/11/28 11:00:23 ncgq4112
铁的表面化学涂层和对非磁性物质进行种磁、磁化的技术早已成熟。所以对于螺旋藻等之类材料进行表面铁涂层、磁化,从而制造所谓的“机器人”并不困难。难点是对其在人体内对癌细肥靶向运动的控制和杀灭癌细胞的原理探讨。这种“机器人”可以大量制造,人体实验则需要有关专业人员去做了。
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