中国研发！酸碱度控制运动！水凝胶纳米机器人定向灭癌

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科幻电影中经常出现将微型机器人植入人体，并对人体进行控制或者改造的情节。如今，这种场景或可真正发生在现实生活中。

近日，来自中国科学技术大学的吴东和李家文团队以及香港中文大学的张立团队联合在《ACS NANO》上发表了一项题为“Environmentally Adaptive Shape-Morphing Microrobots for Localized Cancer Cell Treatment”的研究。

研究者们利用pH响应水凝胶设计和制作了一种微型结构，改变环境pH可以调控水凝胶膨胀程度，在水凝胶微型结构修饰磁性材料可使其具有磁感应性能，可以利用磁场来驱动水凝胶微型结构的位置变化。

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纳米机器人可用于

肿瘤细胞局部治疗

此前，科学家已经制造出可以操纵微小物体的微型（小于 100 µm）机器人，但大多数机器人无法改变它们的形状来执行复杂的任务，例如释放药物。

为此，该研究团队通过一步法4D打印技术制备水凝胶微型鱼结构，在pH小于9时，水凝胶膨胀程度减小，使鱼鳍收缩，在微观结构上表现为水凝胶空隙由500nm减小为200nm。类似的，水凝胶微型螃蟹结构被设计成了蟹钳的收缩现象。

之后，为了使这种微型结构具备磁感应能力，研究者们利用纳米颗粒修饰了水凝胶微型结构。通过控制pH，这种水凝胶微型螃蟹结构的蟹钳可以由2微米张开到14微米。在pH大于9时，货物进入张开的蟹钳中；调节pH小于9，蟹钳夹住（装载）货物，在磁场中移动到目的位置后，调节pH张开蟹钳释放货物，就完成了整个过程。

为了在生理环境中应用，研究者们设计了以pH7.4为临界值的水凝胶微型小鱼。微型小鱼（嘴）装载阿霉素（DOX）后加入PBS，水凝胶发生膨胀封装DOX，运动到目的位置后，调节pH小于7.4，水凝胶收缩张开封口释放DOX，杀死Hela细胞（一种癌细胞）。这种微型小鱼的运动轨迹由外加磁场控制。与对照相比，装载DOX并且顺利释放DOX的微型小鱼附近的Hela细胞明显被杀死（死细胞染色呈红色）。

此外，研究者们还在人造血管的环境中验证了水凝胶微型小鱼的功能。使用光刻和PDMS模塑制作人造血管，并用磁驱微型小鱼对局部的HeLa细胞进行处理。与对照相比，微型小鱼局部的DOX浓度随时间越来越高，对Hela细胞的杀伤也越来越明显。

结果显示，随环境变形的磁驱水凝胶微纳米结构（纳米机器人）实现了微观上局部药物(DOX)包封和可控释放。不仅如此，它们还可以改造用以操作或者保护各种分子，比如容易被破坏的药物分子和多肽药物等。因此，微纳米机器人技术在肿瘤治疗、干细胞移植、活体生物传感等方面有着巨大的研究潜力。

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纳米机器人可解决

生物医学领域多个难题

纳米机器人是机器人工程学的一种新兴科技，是根据分子水平的生物学原理，设计制造可对纳米空间进行操作的功能分子器件。纳米机器人这一概念最早由诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德・费曼于 1959 年提出来的，他当时提出把纳米机器人植入人的体内进行疾病治疗。

用于疾病诊疗是纳米机器人最早提出的缘由，也是大家最容易想到的应用。以肿瘤治疗为例来简单说明纳米机器人实现应用的过程：肿瘤组织会产生标靶信号（比如 pH 降低、双氧水过度表达等），标靶信号形成浓度梯度。接下来，根据这个浓度梯度场，导入人体内的纳米机器人可找到标靶的位置，然后通过富集、深层组织穿透，并释放药物，杀死肿瘤。

除了杀死肿瘤、肠道感染治疗等生物医学方面的应用，纳米机器人还有很多潜在的应用。比如进行纳米加工，利用小型纳米机器人进行芯片加工；再比如，将纳米机器人散布到污水中，进行环境治理。

不同的应用方向，对纳米机器人的性能要求不尽相同，在生物医学方面要求是最高的，涉及对生物毒性的要求、对周围环境适应性要求等；纳米加工则要求较高的精密操控；环境治理则是需要可大规模制备，对成本敏感度高。

经历了 60 多年的发展历程，纳米机器人的梦想正在一步步变成现实。

区别于日常生活中所看到的宏观尺度机器人，微纳米机器人由于具有非常微小的尺寸，以及很好的运动可操控性，因而可以以微创甚至无创的方式进入人体内一些狭小和常规医疗方法难以到达的组织和器官中，对诸多疾病的治疗具有巨大的应用前景。

为了得到一个微纳米尺度的机器人，通常需要考虑以下四个方面：(1) 微纳米机器人的成分和结构，生物相容性和生物降解性；(2) 微纳米机器人的功能化，如我们可以在机器人上装某些药物、蛋白质、荧光染料等等来实现某些应用上或者是在定位上的功能；(3) 微纳米机器人的驱动控制，如磁、光、超声等不同的能量形式；(4) 微纳米机器人在用于体内时的追踪手段，比如在浅层组织内，可以用荧光成像追踪，而在深层组织或器官内，则可以采用超声成像或是磁共振成像等技术。

在充分的考虑到上述几方面的因素后，可以利用微纳米机器人技术来解决许多生物医学领域的难题。相比于被动扩散的胶体粒子或纳米载体，微纳米机器人具有更好的主动性，有利于优化和增强载体在病灶部位的定向富集。

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纳米机器人迎来千亿市场

近年来，研究人员对如何将电子器件微型化以生产细胞大小的机器人产生了日益浓厚的兴趣。得益于电子、磁性和光学系统的技术突破，单单研发一种小体积、低成本、低功耗的机器人并不难。

目前对纳米机器人的未来市场，包括微生物纳米机器人、呼吸细胞纳米机器人、凝血细胞纳米机器人、细胞修复纳米机器人、及医疗应用，包括纳米医学、生物医学、机械应用、领先公司和地区的市场潜力的预测期已经到2023年。

据针对多个相关纳米机器人的垂直行业，其市场发展和前景进行的回顾和研究，发现在预测期内，全球纳米机器人市场规模预计将达到1000亿美元，复合年增长率为21%。机器人技术的突破性发展有望为纳米机器人创造有利的需求。

其中，北美地区是纳米机器人的主要市场，其符合年增长率预计为12.2%，此前相关预测数据显示，从2016年到2020年，纳米机器人的市场将从550亿美元增加至730亿美元，用纳米机器人进行外科护理和治疗患者因素的意识正在推动北美地区的市场。

而亚太地区预计将是纳米机器人增长最快的市场。由于这项技术的应用需要医疗机构的大量资金投入，同时也需要加强对员工的培训，因此印度在这个市场上可能会逐渐繁荣起来。大多数医院主要致力于为病人提供初级保健。中东和非洲地区的市场也显示出强劲的增长。

而在国内市场，从应用领域来看，我国医疗机器人的应用需求逐渐增加，以康复机器人为主的手术机器人已得到较为广泛的应用。此外，在手术机器人、康复机器人的基础上，进一步涌现了物流、配药、采血、胶囊等多种类型的辅助机器人和服务机器人。整体来看，康复机器人占的比重约为41%，辅助机器人为17%，手术机器人为16%。

当前，手术机器人应用越来越广泛，且微创式手术正成为行业的发展趋势。利用微纳米机器人，可以更好地实现精准医疗。实现精准医疗有两种手段，一是使用机器人的物理手段，精准去除肿瘤;二是利用微控和生物手段，将机器人技术和单细胞分析技术相结合，使细胞的抗原与药物抗体之间产生反应，以杀死癌细胞。

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传统的机器人帮助人类工作，微纳米技术则能够拓展人的能力。若能将机器人技术与医药研发技术相结合，未来50年内，微纳米机器人能够带动机器人行业的迅速发展。

目前，中国已有大量医疗机器人新兴企业，但大多为代工厂，创新能力相对欠缺。不过，未来若纳米机器人能真正运用到临床领域，实现规模化应用，医疗机器人市场规模或将超过汽车机器人。