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                  游动微纳米机器人重大突破实现了治疗脑胶质瘤

                  2021-04-06 11:31 ? 次阅读

                  “此前,还房贷等因素是我不断向前的动力,在入选《麻省理工科技评论》‘35 岁以下科技创新 35 人’中国区榜单后,我收到很多患者及家属的来信,因此我希望游动微纳米机器人能挽救更多生命,甚至有患者说如果无法治愈他们,用他们的身体作为人体实验材料也可以,只要能为后人的治疗提供希望,这给我很大的使命感。因此我要继续集中精力不断突破、回馈社会,也不负 TR35 中国榜单的责任。”

                  谈及最近刚发表的论文成果,2019 年 “35 岁以下科技创新 35 人” 获得者、哈尔滨工业大学教授吴志光告诉 DeepTech。

                  近日,由哈工大微纳米技术研究中心博士生导师贺强、和吴志光担任共同通讯作者、该校 2016 级博士生张红玥担任第一作者的论文,以《双响应生物杂化中性粒细胞机器人用于主动靶向递送》(Dual-responsive biohybrid neutrobots for active target delivery)为题在线发表于《科学机器人》(Science Robotics)上,本次研究首次实现了游动微纳米机器人治疗脑胶质瘤。

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                  图 | 相关论文

                  研究中,吴志光研发出一款游动微米机器人,其组成主要包含天然中性粒细胞、大肠杆菌细菌膜、药物以及磁性材料的水纳米水凝胶,整体结构呈现层叠状。因其具有额外的自推进游动能力,因此可把药物主动游动到脑胶质瘤区域。

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                  图 | 微米机器人

                  “这个故事可能有点长”

                  关于机器人结构的由来,吴志光说 “这个故事可能有点长”。

                  常规的药物递送如打针、或吃药,都是药物分子、或载体在血液等流体中扩散进行的,这些药物分子或载体随血流等生物流体的扩散,存在着无法控制自己顺利到达病患区域的问题。

                  而只有流到病患区域,才有一定机会与病患细胞、或组织发生反应并进行治疗,因此这种递送方法非常被动。

                  自 2004 年起,业内就已发展出多种化学和外物理场(光电磁热等)驱动的游动微纳米机器人,这些机器人可在水中进行高效游动,但是人体体内环境非常复杂不仅仅是水,尤其人体内有多种生物屏障,这些生物屏障可以保护人体免遭外源细菌和病毒的侵入,但也阻碍着机器人向病患区域的药物递送。

                  早期的游动微纳米机器人,基本都是基于微机电系统(MEMs)等构件,自身材料主要由金属、金属氧化物以及人造聚合物构成。

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                  图 | 体内双反应中性机器人的活性疗法示意图

                  可以想象,这样的微纳机器人进入体内后,首先它不能降解,这无疑会增加很大的危险性;其次在于它们是人体外源物质,一旦进入体内就会激发免疫系统,免疫细胞会去攻击它们,因此生物相容性比较差,这样就是出师未捷身先死,还没来得及开展生物医学工作,就已经被人体免疫系统干掉。

                  为解决上述问题,他想到了天然细胞。一直以来,吴志光团队都在研究基于天然细胞的游动微纳米机器人,之前他曾开发出基于红细胞的机器人,后来因为想利用其它细胞的生物能力,他就想到了中性粒细胞。

                  据悉,中性粒细胞是一种免疫细胞,它能自发地运动到发生炎症的地方,还具备穿越血脑屏障等功能。

                  一开始,他的想法是制备一些载药的磁性粒子,然后让中性粒细胞吞噬进去,结果发现外源磁场难以驱动游动机器人,主要是因为磁性粒子吞噬量太少,以至于磁性太弱。

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                  图 | 机器人的治疗示意过程

                  研发微纳尺寸机器人,首先要解决的是驱动问题,许多宏观世界的驱动方法在微观世界里却难以实现。他曾表示:“比如你躺在浴缸里,感觉浴缸里都是水。如果缩小成纳米尺度,你身边就不是水,而是一种非常浓的糖浆,所以你无法打破时间对称性的去实现运动。”

                  事实上,自然界有很多微纳米尺度的物体都能实现游动,比如分子马达、生物马达、细菌、精子等,它们可通过在摆动过程中、产生的不对称区域流体场,来实现向前运动。

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                  图 | 游动的细菌

                  基于上述原理,吴志光采用化学方法,将原子组装成微纳米的结构,在化学场、外光场和磁场下实现了可控游动,甚至可以引导它们游动到目标细胞。

                  研究中,他想到中性粒细胞喜欢吞噬细菌等外源物质,所以就在磁性载药粒子表面覆盖了一层大肠杆菌细菌膜,从而让这种粒子伪装成大肠杆菌,这样中性细胞就会提高对磁性载药粒子的吞噬量,不仅能实现在外源磁场下的驱动,还能维持药物在中性粒细胞内的稳定,防止药物在到达胶质瘤之前被泄露。

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                  图 | 中子机器人的可控磁致动

                  此外,本次研究还首次实现了游动微纳机器人对胶质瘤的主动递送,Science Robotics 也发表同期焦点文章介绍了本次成果。

                  胶质母细胞瘤(GBM)是最难有效治疗的癌症之一,中国的发病率及死亡人数均占全球首位,主要原因在于缺乏精准疗法,而且由于血脑屏障、和血肿瘤屏障的存在,进入颅内肿瘤部位的治疗途径非常有限。

                  如何让药物突破血脑屏障、实现药物的主动靶向递送、提高药物对胶质瘤的疗效,也成为胶质瘤医疗领域长久以来的瓶颈难题。

                  针对该难题,该团队开发了上述基于体内免疫细胞的游动微纳米机器人。

                  该机器人可有效稳定地携带紫杉醇等抗癌药物,依靠自主研发的控制系统,可将机器人引导到脑部区域。抵达脑胶质瘤区域的机器人,能自主感知病原信号、并穿越血脑屏障后游动到病患位点,最终将药物精准地释放到病患处,从而显著提高药物靶向效率。

                  一言以蔽之,本次成果是确立基于免疫细胞的游动微纳米机器人、可作为潜在脑胶质瘤精准疗法的标志性研究。

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                  图 | 双反应中性机器人的制备和表征

                  十多年研究成果集大成,高科技手段实现纳米级别组装

                  组装纳米级别的机器人,对于普通人来说简直不敢想象,这要归功于吴志光的博士研究生导师贺强。自吴志光博士毕业后,他就一直在贺强团队工作。

                  2010 年,贺强建立了中国第一个游动微纳米机器人研究团队。在本次项目中,吴志光使用了化学可控组装技术、细菌膜伪装技术、细胞杂化技术、外源匀强旋转磁场控制系统等技术,而这也是他们十多年来研究成果的大集成。

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                  图 | 中性机器人向术后神经胶质瘤的主动输送

                  不过,吴志光也表示,医疗纳米机器人目前尚处于研发试验阶段,还不能进入临床实用,许多配套技术有待开发完善。

                  目前,游动微纳米机器人集群在活体动物内的成像就还是很困难,第一是因为机器人尺寸过小,低于临床医疗成像技术分辨率;第二是机器人与生物组织在生物影响下的对比度不够大。

                  他认为本次机器人还有更高的提升空间,未来他们将开展更多的优化参数研究,以便提高疗效。

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                  图 | 体外将中性粒细胞主动递送至神经胶质瘤细胞

                  美国未来学家、谷歌工程总监雷?库兹韦尔曾预言说,“医疗纳米机器人未来将会把人脑和云脑 (云计算系统) 连接起来,2030 年纳米机器人就将定居在人体内,成为人机融合的一部分”。

                  对此吴志光评价称,2030 年达到这样的水平貌似还是有点难,2030s 以内勉强有戏。但他本人希望有一天能够构建出游动微纳米机器人的人造免疫系统,很多疾病如癌症、HIV 等,较大程度上是人体免疫系统与疾病侵袭之间失衡导致的。

                  如果能在人体内构建游动微纳米机器人集群,这些微纳米机器人就可在人体内随意游走、并进行实时控制治疗疾病,届时癌症、HIV 等疾病就能像感冒一样可被轻易治疗。

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                  图 | 中性机器人的双响应血管内运动

                  目前,吴志光已经开展了针对具体疾病如胶质瘤的治疗研究。下一步他将开展更多的临床前试验研究,比如猪和兔子等更大型的动物,为以后临床试验做准备。

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                  图 | 微纳米机器人在医疗领域的应用最具期待

                  未来他还将继续开发游动微纳米机器人的研究。概括来说,游动微纳米机器人不仅针对胶质瘤,更是一个脑部治疗平台。在不久的将来,游动微纳米机器人将能运输更多诊疗药物,治疗范围也将拓展到癫痫、中风偏瘫等其他脑部疾病。
                  编辑:lyn

                  原文标题:十年磨一剑,游动微纳机器人迎来重要进展!哈工大科学家研制可向药物精准释放靶向胶质瘤的微纳机器人

                  文章出处:【微信号:deeptechchina,微信公众号:DeepTech深科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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                  膝关节护理仪的设计特点是什么

                  膝关节位于人体膝盖部位,在我们日常运动和走路过程中起到十分重要的作用。膝关节的结构非常复杂,有很强的....
                  发表于 07-28 13:37 ? 65次 阅读

                  医疗胃内窥镜的设计特点是什么

                  随着医疗水平不断提升,医疗器械也需要不断完善,也能带来更加精准有效的医疗服务。胃内窥镜是一种常用的医....
                  发表于 07-27 10:33 ? 81次 阅读

                  医疗康复轮椅的设计特点是什么

                  轮椅开始是为残疾人群设计的一种代步工具,分为电动和手动折叠轮椅,适用于行动不便的患者。轮椅不仅是肢体....
                  发表于 07-26 14:46 ? 203次 阅读

                  多功能医疗台车的设计特点是什么

                  随着医疗水平的提高,医疗器械也需要不断创新和研发,才能更精准的诊断病情。医疗台车是医院常见的医疗设备....
                  发表于 07-20 10:48 ? 411次 阅读

                  医疗机器人或成为未来重要医疗资源

                    医疗资源是指提供医疗服务和生产要素的总称,通常包括人员医疗费用、医疗机构、医疗床位、医疗设施和装....
                  发表于 07-16 11:29 ? 363次 阅读

                  EMC能力|纳特通信支持提供医疗器械电磁兼容性检测技术服务!

                  纳特通信紧跟行业发展,推出的系列功率放大器,完全满足医疗领域民标辐射抗扰度的测试要求。
                  的头像 张鑫 发表于 07-12 09:18 ? 150次 阅读

                  医护机器人“格蕾丝”助阵医疗前线

                  虽然疫情得到了很大的的缓解,但是现在世界各地的疫情形式还是相当严峻的。近日,汉森机器人公司(Hans....
                  发表于 07-09 15:00 ? 192次 阅读

                  RFID试剂柜管理系统解决方案

                  杭州东识科技RFID试剂柜管理系统是依托互云计算、大数据、RFID技术、数据库技术、GIS、AI、视....
                  发表于 07-07 11:24 ? 244次 阅读

                  国辰机器人如何用科技抗击疫情

                  国辰人利用自身技术和创新优势,在台州供电营业厅网点推出完全自主研发的电网营业厅智能机器人“电小e”,....
                  发表于 06-29 17:28 ? 251次 阅读

                  医疗辅助机器人是什么,有哪些特点

                  随着科技的进步,医疗水平不断提升,医用设备也在不断地改进和完善,智能化医疗设备逐渐成为行业发展的新方....
                  发表于 06-29 11:31 ? 573次 阅读

                  浅谈宠物DR的组成部分

                  宠物dr是什么?其实宠物DR作为一种数字化X射线检查设备,是宠物医院的必购医疗器械,通过对宠物进行不....
                  发表于 06-26 14:39 ? 891次 阅读

                  数字DR设备与普通X光机相比有哪些优点

                  数字DR设备就是我们通常所说数字X光机,就是采用非晶硅平板的这一类探测器将穿透人的身体由X线信息转化....
                  发表于 06-26 14:34 ? 615次 阅读

                  碳带的分类及其特点

                  如果打印的资料必须要求能够抗溶剂和抗高温等。用于化学产品包装,或者必须耐高温,用于电器发热部位的,或....
                  发表于 06-25 10:49 ? 462次 阅读

                  移动式C形臂X光机的功能特点

                  什么是移动式C形臂X光机?移动式C形臂X光机是指在普通的X光基础原理之上,结合现代医疗技术,制作出来....
                  发表于 06-24 09:37 ? 735次 阅读

                  移动式小C臂的优势特点

                  我国正处于人口老龄化阶段,在2019年末我国60周岁及以上人口达到2.6亿人,占据总人口的19%左右....
                  发表于 06-24 09:34 ? 238次 阅读

                  乳腺钼靶机的优势及注意事项

                    乳腺健康在这几年中,引发了很多话题,在女性对自身健康的重视程度不断提升之后,乳腺定期检查也是很多....
                  发表于 06-23 09:18 ? 444次 阅读

                  动态DR技术优势介绍

                  DR相比传统X光机具有影像更清晰、辐射量更低、检查速度更快等特点。随着医疗技术的发展,近年来更是出现....
                  发表于 06-23 09:14 ? 351次 阅读

                  医疗图像处理的关键领域

                  本文重点介绍医疗图像处理的关键领域,考虑特定成像模式的环境,并讨论该领域的主要挑战和趋势。...
                  发表于 02-04 07:17 ? 202次 阅读

                  安森美半导体的标准及定制CMOS图像传感器方案

                  近年来,随着CMOS工艺技术的不断改进,CMOS传感器的应用范围也越来越广泛,包括数码相机、电脑摄像头、视频电话、手机、...
                  发表于 08-25 07:07 ? 505次 阅读

                  新一代磁性位置传感器助力无人机、轻工业、医疗以及太空机器人应用有哪些?

                  在过去几年里,一系列新的终端市场和应用开始涌现,推动了对更高性能位置传感器的需求。这在磁性位置传感器 IC 领域尤为明显,...
                  发表于 08-10 06:01 ? 606次 阅读

                  电子技术帮助脑部治疗探索的全新领域

                  在德州大学达拉斯分校的部分实验室中,Robert Rennaker博士所提出的“定向可塑”脑部康复研究正处于技术与现代医学的最前沿。 ...
                  发表于 05-13 06:00 ? 439次 阅读

                  嵌入式负压吸引器有什么优点?

                  由于很多病人手术后脏器创口没有得到有效的愈合,此时会在腹腔内积累各种液体。最为常见的就是在临床中,为了保证肠道患者在术后...
                  发表于 04-08 06:39 ? 814次 阅读

                  T4 Nanobot Bacteriophage T4 纳米脑控噬菌体机器人

                  噬菌体的增殖过程基本同其他病毒。 吸附 噬菌体的吸附有两个阶段:①可逆阶段,由随机碰撞或静电引力或氢键作用而相互...
                  发表于 03-19 11:13 ? 978次 阅读
                  T4 Nanobot Bacteriophage T4 纳米脑控噬菌体机器人

                  如何利用FPGA快速开发医疗成像设备?

                  医疗影像技术在医疗保健行业扮演了越来越重要的角色。这一行业的发展趋势是通过非置入手段来实现早期疾病预测和治疗,降低病人开...
                  发表于 09-19 07:13 ? 845次 阅读

                  智能化手术室管理系统的设计原理是什么?

                    物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、极光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任务物品与互联网连接起来,...
                  发表于 09-04 07:51 ? 799次 阅读

                  医院母婴RFID腕带管理系统有什么功能?

                  目前大多医院妇产科在婴儿初生时,一般采用给母、婴佩戴标志环,一直到出院,以此来识别母亲及婴儿,此标志环为纯物理介质,容易...
                  发表于 09-04 06:40 ? 646次 阅读

                  现代医疗传感器有哪些?

                  随着人口数量的不断增长、人口老龄化的加重,人们需要大量的现代医学奇迹。为了保持这种势头,越来越多的人开始寻求医疗帮助,这...
                  发表于 08-19 08:10 ? 1112次 阅读
                  欧美美女的白虎