泡泡机器人：可自主导航至肿瘤的生物相容性微型机器人

机器人与自动化内幕

科学家们创造了两种不同类型的泡泡机器人。该图像顶部所示的那些经过磁性纳米粒子修饰，并通过外部磁铁引导至肿瘤靶点。底部所示的机器人表面结合了不同的酶，并遵循化学梯度独立定位肿瘤靶点。 （图片来源：高实验室/加州理工学院）

微型机器人的潜力是巨大的。这些微型物体可以设计用于在体内执行动作，例如感测生物标记、操纵血凝块等物体或向肿瘤部位提供药物治疗。但研究如何使微型机器人变得高效、生物相容且具有成本效益是一项挑战。现在，加州理工学院领导的团队在制造下一代药物输送微型机器人方面迈出了一大步。他们简化了微型机器人的结构及其生产方法，同时使机器人变得高效且“智能”，足以直接瞄准肿瘤。

加州理工学院和南加州大学科学家团队在《自然纳米技术》杂志 2 月 2 日发表的一篇论文中描述了气泡机器人及其在治疗小鼠膀胱肿瘤方面的成功应用 .

该团队由加州理工学院医学工程教授兼传统医学研究所研究员高伟领导，此前在动物模型中使用超声波成像和磁导引，将微型 3D 打印机器人运送到肿瘤，在那里它们可以生物降解并释放其货物：抗癌药物。这些微型机器人是在洁净室中使用专用设备制造的，其特点是具有由围绕微泡的果冻状聚合物制成的水凝胶外壳。该外壳有助于推动机器人并提供出色的成像对比度，使研究人员能够跟踪它们在体内的情况。

“我们想，如果我们让这个变得更简单，让泡泡本身成为一个机器人呢？”高说。 “我们可以轻松制造气泡，并且已经知道它们具有良好的生物相容性。如果你想戳破它们，你可以立即这样做。”

该团队开发了一种创建这种简单的气泡机器人的方法。他们使用超声波探头搅拌由 BSA（牛血清白蛋白，实验室实验中经常使用的一种标准动物蛋白）组成的溶液，以产生数千个带有蛋白质壳的微泡。

接下来，科学家们利用了蛋白质壳的另一个特征，即表面丰富的胺基。胺基是具有碳-氮键的原子的集合，可以很容易地进行化学修饰。通过与这些胺基团结合，研究人员创造了两种类型的微型机器人，并以不同的方式控制其运动。而阿霉素等抗癌药物可以成功地结合到这两种版本的表面。

科学家们将脲酶附着在两个版本的泡泡机器人的表面。脲酶就像一个微型发动机，让机器人移动。这种酶催化与尿素的反应，尿素是一种遍布全身的废物，可作为机器人的生物燃料，产生氨和二氧化碳。由于脲酶在气泡表面的分布不均匀，随着时间的推移，一侧会积聚更多的此类产物。这种不平衡在气泡周围产生了不对称的化学环境，产生了推动微型机器人前进的净“推力”。

在第一个版本中，该团队将磁性纳米粒子附着在气泡机器人的表面，使它们具有磁性响应。在机器人内部微泡的超声波成像的帮助下，气泡机器人可以通过外部磁铁引导，朝着体内的目标前进。

但研究人员想更进一步。 “我们想让机器人更加智能，”高说。与正常细胞相比，肿瘤和炎症会产生高浓度的过氧化氢，研究小组决定将一种称为过氧化氢酶的额外酶结合到第二个微型机器人的表面。过氧化氢酶驱动与过氧化氢的反应，产生水和氧气。通过所谓的趋化行为，过氧化氢酶结合的气泡会自动向更高浓度的过氧化氢移动，将它们引向肿瘤。

“在这种情况下，你不需要任何成像；你不需要任何外部控制。机器人足够聪明，可以找到肿瘤，”高解释道。 “气泡机器人的自主运动及其感知过氧化氢梯度的能力导致了这种靶向，我们称之为趋化肿瘤靶向。”

一旦气泡机器人到达目标，科学家们就可以应用聚焦超声波来破裂气泡，释放治疗物质。与团队之前使用的缓慢降解的水凝胶机器人相比，这种强烈的爆破作用增强了药物对肿瘤的渗透。

当科学家给小鼠注射气泡机器人以提供抗肿瘤治疗时，他们观察到与单独注射药物的小鼠相比，在 21 天内膀胱肿瘤的重量减少了约 60%。

“这个气泡机器人平台很简单，但它集成了治疗所需的一切：生物相容性、可控运动、成像引导和帮助药物更深入地渗透到肿瘤中的按需触发器。我们的目标一直是让微型机器人更接近真正的临床应用，而这种机器人设计是朝这个方向迈出的一大步，”该论文的主要作者唐松松说，他在加州理工学院高实验室的博士后学者期间完成了这项工作。

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