3D 列印微型機器人成功進行標靶藥物輸送

2024 .12 .18，Julia S.

微型機器人

多年來，3D 列印一直在為醫學帶來革命性的變化：從 3D 列印的定製藥物到生物列印的人體組織複製品，該技術有望改變治療的管理方式，提供前所未有的個性化水平。現在，借助積層製造技術，加州理工學院的研究人員擁有了用於靶向藥物輸送的微型機器人。

當您想到機器人時，這些機器人並不是您通常想像的那樣。相反，它們是小的氣泡狀球體，一旦進入體內，就可以被引導到所需的部位。為了完成任務，機器人必須克服多項挑戰。首先，它們必須在血液、尿液或胃酸等體液中生存。此外，它們必須是可控的，只有在達到目標後才能釋放醫療物資。一旦它們輸送藥物，它們必須被身體吸收，不留下任何有害物質。

研究生和主要作者韓紅和馬曉天與高偉教授合作進行涉及超音波成像引導微型機器人聲學推進的實驗。

加州理工學院的研究人員開發了滿足所有這些要求的微型機器人，並將其稱為生物可吸收聲學微型機器人（BAM）。還有什麼？ BAM 成功地輸送藥物，縮小了小鼠膀胱腫瘤的大小。加州理工學院醫學工程教授、Heritage 醫學研究所研究員、有關機器人的新論文的共同通訊作者高偉解釋了 BAM 的優勢。 高說： “現在我們可以引導我們的微型機器人直接到達腫瘤部位，並以受控和有效的方式釋放藥物，而不是將藥物放入體內並讓它擴散到各處。 ”

列印微型機器人

具體來說，加州理工學院的 BAM 是由稱為聚乙二醇二丙烯酸酯的水凝膠製成的球形微結構。雖然微型機器人的想法並不新鮮——過去二十年來人們一直在開發微型機器人的版本——加州理工學院的水凝膠配方和製造方法使它們能夠更輕鬆地在生命系統中導航。水凝膠最初是液體或樹脂，然後當其聚合物交聯時硬化。這種結構使它們能夠保留大量液體，這意味著許多水凝膠具有生物相容性。

水凝膠配方由加州理工學院材料、力學和醫學工程教授朱莉婭·R·格里爾（Julia R. Greer）創建，她也是該論文的共同通訊作者。格里爾的團隊擁有雙光聚合（TPP）光刻技術的經驗，該技術使用超快紅外光脈衝選擇性地交聯光敏聚合物。該技術非常精確，可以遵循特定的模式。 Greer 和她的團隊逐層 3D 列印出微型機器人，它們之間的距離僅為 30 微米，大約相當於人類頭髮的直徑。

「這個特殊的形狀，這個球體，寫起來非常複雜，」格里爾解釋道。「你必須了解某些交易技巧，才能防止球體自行塌陷。我們不僅能夠合成包含所有生物功能和所有醫學必需元素的樹脂，而且能夠將它們寫成具有必要空腔的精確球形。

研究生兼主要作者 Hong Han 在螢光顯微鏡下檢查微型機器人。

BAM 是如何控制的？

加州理工學院團隊的 BAM 是可控的，這要歸功於一個看起來令人驚訝的附加元素：磁鐵。除了治療藥物之外，BAM 還注入了磁性奈米顆粒，使研究人員能夠利用外部磁場引導機器人到達特定位置。一旦機器人到達目標，它就會停留在原地，藥物被動地擴散到體內。

高表示，該計畫的關鍵創新之一是能夠為機器人提供親水的外部和疏水的內部。親水的外部確保單個機器人在體內移動時不會聚集在一起。另一方面，內部不能是親水的，因為它必須捕獲氣泡，而氣泡很容易破裂。高解釋：「這種不對稱的表面修飾，內部是疏水性的，外部是親水性的，確實允許我們使用許多機器人，並且仍然可以在生物流體（例如尿液或血清）中長時間捕獲氣泡。

使用先進的方法分析聲學水凝膠微型機器人以其最佳頻率振動產生的流動模式，包括追蹤水中的微小顆粒和基於電腦的模擬。微型機器人的兩個開口的位置在這裡可見。

值得注意的是，這些機器人經過治療後可以持續數天，而之前它們只能持續幾分鐘。捕獲的氣泡有不止一個用途：它們對於機器人的運動和追蹤它們的位置至關重要。為了推進，微型機器人有兩個圓柱形開口。當暴露在超音波場中時，氣泡會振動，導致周圍的液體通過開口從機器人流出，推動它們前進。在這種情況下，高發現兩個洞比一個洞好。透過這種方式，機器人可以透過更多種類的黏性生物流體，並且比只有一個開口時的速度更快。

此外，每個微型機器人都有一個雞蛋狀的氣泡，根據新聞稿， “可以作為優秀的超音波成像造影劑，實現對機器人體內的即時監控。”在超音波成像專家的幫助下，團隊可以追蹤機器人朝目標移動。

該團隊透過在患有膀胱腫瘤的小鼠身上測試微型機器人來結束該計畫。令人驚訝的是，研究人員發現，在 21 天內進行四次藥物遞送比非機器人遞送的治療更能有效地縮小腫瘤。

「我們認為這是一個非常有前途的藥物輸送和精準手術平台，」高補充道。「展望未來，我們可以評估使用該機器人作為平台，為不同的條件提供不同類型的治療有效負載或藥劑。從長遠來看，我們希望在人類身上進行測試。

文章來源：3dnatives

照片來源：Lance Hayashida/加州理工學院