重大突破！中國學者科研成果，再登國際頂級期刊！
不久前，哈爾濱工業大學微納米技術研究中心賀強教授與吳志光教授團隊研製出一種中性粒細胞微米機器人，這些中性粒細胞可在外源磁場下進行高效且可控遊動，並藉助其自身對炎症因子的趨向行為突破血腦屏障。研究成果以“雙響應中性粒細胞機器人用於主動遞送”為題，在線發表於機器人研究領域頂級期刊Science Robotics上。論文第一作者為哈爾濱工業大學博士研究生張紅玥，賀強與吳志光教授為共同通訊作者。
研究團隊介紹：
賀強，教授，博士生導師，哈爾濱工業大學。2010年加入哈爾濱工業大學微納米技術研究中心，組建國內首個遊動納米機器人研究團隊。2011年入選教育部新世紀優秀人才計劃，2012 年入選龍江學者特聘教授。任國際期刊Colloids and Surface A 編委、中國微米納米技術學會微納機器人分會以及微納執行器與微系統分會理事。長期從事面向生物醫學應用的遊動微納米機器人研究，共發表SCI 論文140 餘篇，近五年論文近80篇（含Sci. Robot.、Adv. Mater.、ACS Nano 等影響因子10 以上論文30 篇，ESI 高被引論文4 篇），SCI 他引6000 餘次，h 因子為47。獲黑龍江省科學技術獎二等獎1 項，授權中國發明專利11 項，主持或參與了科技部重點研發、國家自然科學基金委重大研究計劃重大項目、面上項目等。研究成果多次被Nature、Science 等期刊正面引用和評價，被國際同行評價為“開創了運用化學組裝技術批量構築遊動納米機器人”、“率先構築了集自驅動與智能藥物載體於一體的遊動納米機器人”、“研製了世界上最小的遊動納米機器人”等。
吳志光，教授，博士生導師，哈爾濱工業大學，長期致力於面向主動遞送的遊動微納米機器人研究，曾作為洪堡學者與博士後赴德國馬普智能系統研究所與美國加州理工學院進行研究工作。迄今以第一作者與通訊作者在 Science Robotics, Science Advances., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem.Int. Ed., J. Am. Chem. Soc. ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Small等國際高水平雜誌上發表了20餘篇SCI論文。研究成果獲得Nature，Science等學術媒體專題報道，被Phy.Org評論為“首次實現微納米機器人在緻密生物組織內遊動”。任中國微米微納米技術學會微納執行器與微系統分會理事等職務，入選2019年麻省理工科技評論“35位35歲以下科技創新人才”中國榜單，是目前微納機器人研究領域國內單位唯一入選者（圖1）。入選理由：“他打造的微納機器人，可穿越多道生物屏障將藥物精準送達病患處”。
解決遊動微納機器人生物醫學應用痛點
常規的藥物遞送方式例如口服或注射主要依靠藥物分子或載體血液循環運輸完成，這種被動擴散方法受到多重生物屏障的阻礙不但導致有效劑量嚴重不足同時引發全身性的毒副作用，難以完成精準藥物遞送的需求。有研究對最近 30 年以來的藥物遞送方式進行了統計，結果顯示，遞送約12個小時後，最高的遞送效率還不到 1%。因此，新型主動藥物遞送方式既必要又重要。
針對上述問題，人們一直設想能不能做出主動的遊動納米機器人，裝載藥物在人體內遊走，將藥物遞送給病患區域內來治療疾病（圖2）。1966 年的電影《奇幻旅程》，講述了醫療工作者被縮小到微納米尺寸，然後再被注射到一位科學家體內，直接游到病患區進行治療的故事。
於是在近二十年間，科學家通過模仿細菌和精子等天然微生物以及生物分子馬達的方法，設計並構築出多種依靠化學，光，磁以及超聲驅動的遊動微納米機器人。這些微納米機器人不但可以在水或其他生物流體中進行高效遊動，並且可藉助化學，光，磁等方式來控制它們的運動行為，使它們按照人們的意願抵達指定的位置。然而，面對實際生物醫學應用，遊動微納機器人在生物相容性與生物降解性，複雜生物環境內的控制等方面仍然面臨着挑戰。例如遊動微納米機器人因其外源性質，在進入體內後會受到免疫系統的攻擊，更重要的是，這些遊動微納米機器人無法在體內複雜環境中精確地尋找到炎症位點並且難以突破諸如血腦屏障等生物屏障。
遊動自如的眼科納米機器人
要實現遊動微納機器人主動尋找炎症病患位點真心不容易。在自然界中，中性粒細胞作為免疫系統中的重要組成部分，經過上億年的進化發展出對炎症因子的趨向能力，即可沿着炎症因子的梯度遊動最終尋找到病患位置，以及自動搜尋並攻擊細菌或病毒等天然病原體的能力。
“因此我們設想如果我們能夠用天然中性粒細胞做成一種遊動微納米機器人，那麼這種微米機器人能夠躲避免疫系統的攻擊，並且自動遊動到病患區域了。”
於是從2016年開始，哈爾濱工業大學研究團隊針對如何實現中性粒細胞雜化的遊動微米機器人進行了大量嘗試。最終設計出了一種可高效裝載多種藥物，並且兼具外源磁場控制與沿炎症因子趨向運動的中性粒細胞機器人（圖3）。
這種遊動微米機器人是通過中性粒細胞吞噬表面包裹大腸桿菌細菌膜，內部裝載藥物和磁性材料的水納米水凝膠來製備完成。在外源勻強磁控系統的操縱下，不但可實現個體中性粒細胞機器人依照預設路徑進行精確運動，並且還能像宏觀世界中的無人機一樣編隊成有序的集羣陣列進行運動。這種集羣運動可極大地提高中性粒細胞機器人的運動速率。藉助外源磁場驅動的方法，可將中性粒細胞機器人快速地控制到病患的大致區域。隨後，中性粒細胞賦予機器人對炎症因子的趨向運動功能，可讓中性粒細胞機器人突破多重生物屏障並精確地運動到病患區域，最終釋放藥物實現主動治療（圖4）。
醫療微納機器人被廣泛看好
在相關的活體動物膠質瘤治療研究中，他們將中性粒細胞機器人注射到小鼠體內，通過外源磁場的控制引導以及光學通斷層掃描，可以操縱中性粒細胞微機器人富集到腦部，到達腦部的中性粒細胞機器人依靠其趨向功能，沿膠質瘤釋放出的炎症因子穿越血腦屏障，最終抵達膠質瘤病患區域並將藥物釋放。研究結果顯示，經過中性粒細胞治療的膠質瘤小鼠可驗證其存貨週期一倍以上，這為以後納米機器人的靶向藥物運輸提供了研究基礎。
當前最重要、最迫切的就是納米機器人在醫療領域的應用。但醫療納米機器人目前尚處於研發試驗階段，未能進入臨牀實用，許多配套技術有待開發完善。以中性粒細胞機器人為例，儘管可在體外實現精確且智能運動方向控制還要靠手動操縱外源磁場完成，最近一直在同生物成像以及智能控制領域的專家合作，希望開發出像自動駕駛汽車一樣的智能化遊動微納機器人。
納米機器人未來將如何發展？日本東北大學工學部研究員黃曉秋將其發展分為三個階段：“目前研發的納米機器人屬於第一代，是生物系統和機械系統的有機結合體，這代納米機器人可以注入人體血管內，進行健康檢查和疾病治療；第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，能夠執行復雜的納米級別的任務；第三代納米機器人將包含有強人工智能和納米計算機，是一種可以進行人機對話的智能裝置。”
以往的研究中，哈爾濱工業大學賀強教授與吳志光教授研究團隊在生物醫學遊動微納機器人制備，驅動，控制以及生物醫學應用領域取得了多項成果。例如他們首次實現了納米機器人在眼睛玻璃體中可控、高效的集羣運動，解決長久以來微納米機器人在眼內玻璃體等生物組織內無法遊動的瓶頸難題（圖5）。研究成果被Nature與Science等頂級學術媒體報道（圖6），被評價為“首次實現微納米機器人在緻密生物組織內遊動”。
納米級技術將不再只是好萊塢大片裏超級英雄才能擁有的高科技，而將切實造福人類生活。美國未來學家、谷歌工程總監雷·庫茲韋爾預言説，醫療納米機器人未來將會把人腦和雲腦(雲計算系統)連接起來，進而提高人類智力和延長人類壽命。2030年納米機器人就將定居在人體內，隨着血液循環遍佈人體，人機融合的一部分。
來源：課題組供稿。