智能微納機(jī)器人在疾病診療中的應(yīng)用進(jìn)展

許冬雨，宋思哲，柴人杰,

（1.東南大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，東南大學(xué)生命健康高等研究院，江蘇省生物醫(yī)學(xué)高新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2.南通大學(xué)神經(jīng)再生協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南通226001；3.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院耳鼻喉頭頸外科，四川 成都 610072；4.中國科學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院，北京100101；5.首都醫(yī)科大學(xué)北京市神經(jīng)再生修復(fù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100069；6.東南大學(xué)深圳研究院，深圳 518063）

在自然界中，分子馬達(dá)、病毒、細(xì)菌、精子等微納米尺度的組件能夠在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由游動(dòng)及有序操作。受自然界中微納米尺度下可有序操控組件的啟發(fā)，F(xiàn)eynman[1]探討了構(gòu)建分子大小的亞微米尺度機(jī)器并在狹小空間中實(shí)現(xiàn)有效操控的可能性。常規(guī)疾病診療策略難以檢測(cè)到疾病發(fā)生的標(biāo)志物分子，降低了抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域的藥物有效數(shù)量，而能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)操控、疾病早期診斷及藥物靶向遞送的智能微納機(jī)器人引起了研究人員的廣泛關(guān)注[2]。為了構(gòu)建適用于生物體的智能微納機(jī)器人，需從構(gòu)建材料、結(jié)構(gòu)及尺寸方面全面考慮。首先，材料方面應(yīng)具有良好的生物相容性、生物可降解性或低毒性可安全排出等特性，以保證智能微納機(jī)器人的在體安全性。其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要考慮到智能微納機(jī)器人工作的生理環(huán)境及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使用自上而下或自下而上的策略制造適應(yīng)性強(qiáng)、低雷諾系數(shù)液體環(huán)境中可驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和組成。最后，尺寸方面應(yīng)考慮到智能微納機(jī)器人需要通過的生物屏障，如要穿過血腦屏障、血眼屏障等構(gòu)建納米級(jí)機(jī)器人，而胃腸道中則可以使用微米甚至毫米級(jí)機(jī)器人。

目前，基于微納米加工技術(shù)、生物物理、生物材料等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉發(fā)展融合，逐步研發(fā)出多種微納米尺度機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在生物體內(nèi)的微米尺度可控操作[3-5]。通過微納加工、小型化等技術(shù)[6]，已制備得到了多組分、多形態(tài)的智能微納機(jī)器人，包括中空微管[7-8]、螺旋微纖維[9]、Janus 微球[10]、微針[11]、微爪[12]、仿生細(xì)菌纖毛狀[13]、生物膜包裹[14]等。得益于所設(shè)計(jì)的智能微納機(jī)器人體積小、可無線操控、靈敏度高、可負(fù)載藥物等優(yōu)勢(shì)，它們可以在生物體系統(tǒng)中借助信號(hào)反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所處生理環(huán)境的判斷，并結(jié)合體外操控實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控和可控釋放藥物及微納米尺度操作等，已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括疾病標(biāo)志物檢測(cè)、細(xì)胞/藥物靶向遞送、微米尺度操作、生物成像、生物傳感等方面，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

近年來，對(duì)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的智能微納機(jī)器人的無毒性、生物安全性要求不斷提高，多種生物材料、無毒化學(xué)燃料、外加場(chǎng)源及生物能源等被用來設(shè)計(jì)并驅(qū)動(dòng)體內(nèi)的智能微納機(jī)器人。此外，結(jié)合多形貌智能微納機(jī)器人的制備可實(shí)現(xiàn)不同醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)性化合理設(shè)計(jì)，提高智能微納機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的自適應(yīng)性，從而推動(dòng)智能微納機(jī)器人在疾病診療中的實(shí)際應(yīng)用。本文總結(jié)了智能微納機(jī)器人的無線驅(qū)動(dòng)策略及其在疾病診療方面的最新研究進(jìn)展，并就智能微納機(jī)器人在疾病診療中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向展開討論。

1 智能微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

微納米尺度的智能機(jī)器人在體內(nèi)血液、胃腸液等低雷諾系數(shù)的體液環(huán)境中工作時(shí)，需要突破自身的黏性阻力和布朗運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)有效位移抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域[15]。因此，多種外源沖擊力用于智能微納機(jī)器人供能，使其完成自主前進(jìn)甚至突破生物屏障等。智能微納機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)機(jī)制分為燃料驅(qū)動(dòng)、外加場(chǎng)源驅(qū)動(dòng)及生物能源驅(qū)動(dòng)等。

1.1 燃料驅(qū)動(dòng)

燃料驅(qū)動(dòng)是指智能微納機(jī)器人自身所負(fù)載的生化燃料與所處環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，并在微納機(jī)器人自身或附近產(chǎn)生不對(duì)稱化學(xué)梯度（離子梯度、電場(chǎng)梯度、濃度梯度等）或不穩(wěn)定氣泡來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，從而驅(qū)動(dòng)自身前進(jìn)[15-19]。微納機(jī)器人與周圍介質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其表面產(chǎn)生電解質(zhì)濃度梯度，在微納機(jī)器人兩極產(chǎn)生電滲透流，實(shí)現(xiàn)自電泳驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。然而，自電泳驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速率與溶液電阻率之間線性相關(guān)，因此高濃度電解質(zhì)溶液中的運(yùn)動(dòng)速率不理想。為了解決該缺陷，提升應(yīng)用場(chǎng)景，Zhan 等[16]設(shè)計(jì)了一種表面接枝磺化聚苯乙烯涂層的P 型硅核/N 型硅殼納米線機(jī)器人，其中高離子導(dǎo)電性的聚電解質(zhì)涂層可作為支撐微納機(jī)器人表面導(dǎo)電層的多孔支架，在很大程度上阻止離子猝滅，從而將自電泳微納機(jī)器人的離子耐受性提高了100 倍以上（見圖1A）。

圖1 基于化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的智能微納機(jī)器人Figure 1 Chemical fuel-driven intelligent micro/nanorobots

受限于自電泳微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力小、難以在高濃度電解質(zhì)環(huán)境中工作等問題，研究人員提出了氣泡驅(qū)動(dòng)的智能微納機(jī)器人。借助不對(duì)稱氣泡破裂產(chǎn)生的微氣流和分離產(chǎn)生的沖力，氣泡驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。以過氧化氫（H2O2）燃料為例，鉑（Pt）等金屬可將其催化分解為氧氣和水分子，大量氧氣產(chǎn)生的氣泡能夠?yàn)槲⒓{機(jī)器人提供動(dòng)力。然而，常用燃料H2O2對(duì)生物體存在潛在毒性，且難以適應(yīng)不同組織環(huán)境。為了適應(yīng)生物體環(huán)境，提高燃料安全性，de ávila 等[17]設(shè)計(jì)了Janus 載藥鎂基微納機(jī)器人，以胃酸作為燃料產(chǎn)生氫氣氣泡實(shí)現(xiàn)微納機(jī)器人在胃部的自驅(qū)動(dòng)，用于胃部感染治療（見圖1B）。此外，Cai 等[19]開發(fā)了裝載泡騰片燃料的火箭式微納機(jī)器人，其在水環(huán)境中能夠產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀?，從而推?dòng)微納機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)微針尖端刺入腸道黏膜中進(jìn)行體內(nèi)藥物釋放。此外，Mathesh 等[20]設(shè)計(jì)了一種二維（2D）氧化石墨烯納米機(jī)器人，通過負(fù)載過氧化氫納米酶能夠在超低燃料濃度（0.003% H2O2）下自主運(yùn)動(dòng)，為降低智能微納機(jī)器人的環(huán)境介質(zhì)依賴性提供了解決策略。

1.2 外加場(chǎng)源驅(qū)動(dòng)

為了應(yīng)對(duì)生化燃料驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人面臨的燃料安全性差、使用壽命有限、靶向性弱等挑戰(zhàn)，多種外加場(chǎng)源被用來實(shí)現(xiàn)智能微納機(jī)器人的無線驅(qū)動(dòng)。結(jié)合磁場(chǎng)、光場(chǎng)、聲場(chǎng)等具有一定組織穿透能力的可控外加場(chǎng)源，智能微納機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)在體的可控、靶向、無燃料安全前進(jìn)。

外加低強(qiáng)度磁場(chǎng)憑借其靈活性、對(duì)生物組織無損傷、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)，成為智能微納機(jī)器人的常用外加場(chǎng)源驅(qū)動(dòng)方式。磁控微納機(jī)器人在外加螺旋、振蕩或平面梯度磁場(chǎng)的調(diào)制下，受到磁力矩和磁梯度力影響，從而在低雷諾系數(shù)液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)[21-23]。近年來，為實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞操作、靶向遞送、生物傳感等目標(biāo)，多功能磁控微納機(jī)器人被設(shè)計(jì)成雙金屬微棒、Janus 微球、螺旋狀、管狀、爪狀以及鏈狀等多種形貌。Wu 等[9]利用掠射角沉積方式在單層硅納米陣列表面物理氣相沉積了金屬鎳作為磁性部分，從而制備得到了螺旋槳狀的磁控微納機(jī)器人（見圖2A）。隨后通過全氟硅烷的氣相沉積，在螺旋槳磁控機(jī)器人表面生成了光滑的液體層，并在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)控下實(shí)現(xiàn)沿螺旋長軸的完整旋轉(zhuǎn)，從而完成了在玻璃體內(nèi)部的無線驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)磁控微納機(jī)器人對(duì)單細(xì)胞的可選擇性操作，Yang 等[24]利用磁性光刻膠中單次暴露飛秒脈沖光渦旋來制備尺寸、形狀可調(diào)控的管狀磁控微納機(jī)器人。在永磁鐵誘導(dǎo)下管狀磁控微納機(jī)器人沿磁場(chǎng)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并在磁力誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)磁控前進(jìn)。這種管狀磁控微納機(jī)器人能夠進(jìn)行藥物和細(xì)胞的封裝，并在磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)精確驅(qū)動(dòng)、捕獲、釋放等操作，為可進(jìn)行單細(xì)胞操作的磁控微納機(jī)器人的制備提供了更為簡單易行的策略。然而，體內(nèi)強(qiáng)血流環(huán)境對(duì)微納機(jī)器人在目標(biāo)位置的滯留提出了挑戰(zhàn)，趙杰課題組開發(fā)了一種以花粉為核心的紅細(xì)胞膜涂覆的微爪磁控機(jī)器人[14]。憑借微爪增加的摩擦力，該磁控機(jī)器人在頸靜脈中顯示出長期滯留效果，從而實(shí)現(xiàn)靶向部位的長期高效給藥。此外，Li 等[25]也設(shè)計(jì)了結(jié)合功能性凝膠的多功能磁控微納機(jī)器人。裝配有環(huán)境響應(yīng)性聚合物的鏈狀磁控微納機(jī)器人能夠在外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)可控群體運(yùn)動(dòng)，并在生理微環(huán)境變化下呈現(xiàn)可視化結(jié)構(gòu)色變化從而指示體內(nèi)局部微環(huán)境異常現(xiàn)象。

圖2 基于外加場(chǎng)源驅(qū)動(dòng)的智能微納機(jī)器人Figure 2 Applied field-driven intelligent micro/nanorobots

自然界中的光感生物在光照下展現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)模式，如趨光性綠藻能夠游向光源以獲得更多的光合作用，避光性微生物為避免輻射損傷等表現(xiàn)出遠(yuǎn)離光源的特性，這展示了外源光場(chǎng)在生物驅(qū)動(dòng)中的特性并對(duì)光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)智能微納機(jī)器人的開發(fā)具有啟示作用。此外，光場(chǎng)調(diào)控在控制超分子聚合物和金屬材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，包括較深的組織穿透能力、較高的時(shí)空精度以及無廢物產(chǎn)生[26]。因此，直接光學(xué)操控、光電轉(zhuǎn)換以及光熱轉(zhuǎn)換成為光控智能微納機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。當(dāng)半導(dǎo)體硅納米線被可見光到紅外光范圍內(nèi)光照射時(shí)，其在電場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)速度可以立即增加、減少甚至逆轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)光照下對(duì)運(yùn)動(dòng)模式的有效調(diào)控（見圖2B）[27]。光電鑷子不同于磁場(chǎng)操控等非接觸式微納操控技術(shù)，它可以產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)，在較低光強(qiáng)下產(chǎn)生主要驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件的平行獨(dú)立操控。馮林課題組使用光電鑷對(duì)微螺旋藻的大規(guī)模平行操縱進(jìn)行了研究，在投射光模式下可以利用多個(gè)光點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)微螺旋藻的不同并行操控，并進(jìn)一步地利用微螺旋藻構(gòu)建了T 形、微線圈等不同形貌的組合微結(jié)構(gòu)[28]。Dai 等[29]設(shè)計(jì)了一種Janus 二氧化鈦/硅納米樹光控微納機(jī)器人，其中包括一個(gè)光電陰極和一個(gè)光電陽極。納米樹光控微納機(jī)器人在光照下發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)，不對(duì)稱的兩端生成陰離子和陽離子，形成離子濃度梯度，從而推動(dòng)微納機(jī)器人自電泳前進(jìn)。進(jìn)一步對(duì)納米樹光控微納機(jī)器人的兩端進(jìn)行化學(xué)修飾調(diào)控其zeta 電位，成功編程了具有正負(fù)趨光性的光控微納機(jī)器人。然而，這種外加光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制難以在生物體內(nèi)直接驅(qū)動(dòng)光控微納機(jī)器人，因此具有較大組織穿透能力的近紅外光被用來刺激不對(duì)稱光控微納機(jī)器人，使其周圍產(chǎn)生溫度梯度從而借助光熱機(jī)制驅(qū)動(dòng)光控微納機(jī)器人的前進(jìn)[30]。

然而，光照穿透組織的深度較淺，對(duì)深層組織的照射效果較差，限制了外加光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)光控微納機(jī)器人的使用。相較之下，超聲波作為一種常用的外加聲場(chǎng)刺激，具有較深的組織穿透能力、良好的生物安全性、較低的使用成本等優(yōu)勢(shì)，多種聲控微納機(jī)器人在超聲波控制下展現(xiàn)出良好的驅(qū)動(dòng)特性[31]。de ávila 等[32]構(gòu)建的生物膜包裹的金納米線機(jī)器人在超聲波驅(qū)動(dòng)下能夠在血液中呈現(xiàn)快速有效地長時(shí)間運(yùn)動(dòng)（見圖2C）。此外，Zhang 等[33]研究了聲波振蕩模式下產(chǎn)生的底部氣泡對(duì)微米尺度樣品的可控傳輸、捕獲、三維旋轉(zhuǎn)和圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)微米尺度生物樣品的采集和分析。Ren 等[34]利用模板輔助電化學(xué)沉積制備的金-銠雙金屬微棒在聲表面波驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)自主定向移動(dòng)，顯示了聲表面波對(duì)微納機(jī)器人定向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)作用。此外，壓電生物材料因其固有的壓電特性，能夠直接將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電刺激，因此壓電生物材料在超聲波刺激下所產(chǎn)生的電學(xué)特性引起了聲控微納機(jī)器人領(lǐng)域的廣泛研究[35-36]。Kim 等[37]設(shè)計(jì)了一種N，N'-二仲丁基-N，N'-二亞硝基-1，4-苯二胺修飾的聚多巴胺涂層壓電鈦酸鋇納米顆粒，在目標(biāo)位置的高強(qiáng)度聚焦超聲波作用下，該壓電微納機(jī)器人釋放一氧化氮并介導(dǎo)血腦屏障的短暫開放，從而實(shí)現(xiàn)靶向腦的有效治療。

1.3 生物能源驅(qū)動(dòng)

除了化學(xué)燃料和外加場(chǎng)源作為外加驅(qū)動(dòng)能源外，自然界中本身具有自我推進(jìn)能力的細(xì)菌、細(xì)胞、微藻等也被用來開發(fā)智能微納機(jī)器人。利用這些生物自身的運(yùn)動(dòng)能力，智能微納機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，并且基于細(xì)菌的趨向性，如趨磁性、趨化性、趨光性、趨熱性等[38]，可以實(shí)現(xiàn)生物能源驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人定向運(yùn)動(dòng)[39]。在Janus 聚苯乙烯/鐵納米粒子上，大腸埃希菌呈現(xiàn)出金屬側(cè)的優(yōu)先黏附性，從而構(gòu)建了大腸埃希菌驅(qū)動(dòng)的Janus微納機(jī)器人[40]。鞭毛狀大腸埃希菌能夠通過螺旋旋轉(zhuǎn)鞭毛來推動(dòng)微納機(jī)器人在低雷諾系數(shù)環(huán)境中前進(jìn)，并結(jié)合磁性Janus 顆粒的磁定向能力實(shí)現(xiàn)其在外加磁場(chǎng)下的定向混合運(yùn)動(dòng)。此外，基于合成生物學(xué)和基因工程技術(shù)，可以對(duì)細(xì)菌等常用細(xì)胞進(jìn)行遺傳回路、模型生物體和設(shè)計(jì)參數(shù)的編輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物細(xì)胞的精確工程化，從而獲得多功能生物能源驅(qū)動(dòng)的微納機(jī)器人[41]。因此，Inda-Webb 等[42]對(duì)益生菌進(jìn)行基因工程編輯，使其具有分子特異性發(fā)光特性，并將基因工程益生菌生物傳感器與小型化光電探測(cè)設(shè)備結(jié)合構(gòu)建了以微生物傳感為核心的小型化檢測(cè)膠囊。

具有自主前進(jìn)或收縮特性的細(xì)胞，如精子、肌肉細(xì)胞等也被用來構(gòu)建具有自主運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人。Sun 等[43]仿生毛毛蟲蠕動(dòng)前進(jìn)方式制備了具有不對(duì)稱爪子的軟體機(jī)器人，該軟體機(jī)器人以心肌細(xì)胞作為生物能源驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人前進(jìn)。在不同濃度藥物處理下，軟體機(jī)器人呈現(xiàn)出不同的前進(jìn)速度和距離，從而評(píng)估藥物對(duì)心肌細(xì)胞活性的影響。然而，為實(shí)現(xiàn)微納米尺度和生物體內(nèi)環(huán)境下的有效驅(qū)動(dòng)，由生物能源驅(qū)動(dòng)的智能微納機(jī)器人仍需解決活體生物能源的損耗、生物與材料界面難以有效集成、難以微型化等問題。此外，受制于單一驅(qū)動(dòng)機(jī)制的局限性，目前開發(fā)的多種智能微納機(jī)器人常采用多種機(jī)制混合驅(qū)動(dòng)，如生物膜包裹、光熱驅(qū)動(dòng)與外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等共同推進(jìn)智能微納機(jī)器人自主前進(jìn)。

2 基于智能微納機(jī)器人的疾病診療應(yīng)用

憑借生化燃料、外加場(chǎng)源以及生物能源的多種驅(qū)動(dòng)機(jī)制，智能微納機(jī)器人的動(dòng)態(tài)自主運(yùn)動(dòng)能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)的不足。由于具有自主運(yùn)動(dòng)、無線可控性、體積小、效率高等優(yōu)勢(shì)，智能微納機(jī)器人在疾病診療中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，主要用于疾病診斷、細(xì)胞/藥物靶向遞送以及微米尺度下的精細(xì)操作等。

2.1 疾病診斷

智能微納機(jī)器人憑借其尺寸小，無線操控能力強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)勢(shì)，可以在狹小空間中進(jìn)行精細(xì)操控，在細(xì)胞水平進(jìn)行非侵入性檢測(cè)，并結(jié)合其生物傳感、成像等特性，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)在體內(nèi)的疾病標(biāo)志物分子進(jìn)行檢測(cè)傳感和體內(nèi)病變組織的成像，從而對(duì)疾病進(jìn)行早期診斷并動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)程。Wang等[44]構(gòu)建了多種熒光染料包被的磁控納米機(jī)器人，并通過外加磁場(chǎng)的控制，形成了大小可控的納米機(jī)器人集群，可以在局部富集熒光染料濃度，提高信噪比，相較于傳統(tǒng)細(xì)胞染色，可實(shí)現(xiàn)少量染料引入、低細(xì)胞毒性、高精度可控的細(xì)胞成像。此外，用于體內(nèi)細(xì)胞/組織機(jī)械性質(zhì)檢測(cè)的智能微納機(jī)器人也被開發(fā)，Mohagheghian 等[45]將一種微十字磁控微納機(jī)器人植入細(xì)胞群中，并通過響應(yīng)振蕩磁場(chǎng)進(jìn)行剛性旋轉(zhuǎn)來充當(dāng)剛性探針，量化組織牽引力和剛度，用于研究細(xì)胞、組織和胚胎的機(jī)械調(diào)節(jié)等。該研究結(jié)果顯示，干細(xì)胞樣腫瘤細(xì)胞群的剪切模量隨三維底物的彈性而改變，但其三維牽引力不受基底影響；進(jìn)一步利用微十字磁控微納機(jī)器人檢測(cè)了斑馬魚及小鼠胚胎發(fā)育過程中的牽引力振蕩，這有助于深入了解動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中力學(xué)變化在原腸胚形成和器官發(fā)生中的作用。

近年來，為實(shí)現(xiàn)生物組織的實(shí)時(shí)觀察及生理特性監(jiān)測(cè)，研發(fā)了多種智能微型機(jī)器人用于組織成像[46-47]和疾病標(biāo)志物檢測(cè)[42,48]等。Sitti 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有生物黏合劑貼片的柔性磁控機(jī)器人，在外加磁場(chǎng)控制下，該磁控機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在軟組織表面行走、攀爬，在狹窄縫隙中爬行，在液體環(huán)境中游動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)模式[47]。通過使用外部磁場(chǎng)可以控制微型軟體機(jī)器人與組織的相互作用，借助醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)可視化軟體磁控機(jī)器人的形狀，從而精確地反映組織特性，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物胃腸道組織的黏附性、pH 值和黏彈性等組織生理特性的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)胃腸道疾病標(biāo)志物分子的原位檢測(cè)，多種基因工程編輯的微生物傳感器已被設(shè)計(jì)，例如Inda-Webb 等[42]構(gòu)建的基因工程益生菌生物傳感器和小型化光電探測(cè)器及芯片集成的小型化檢測(cè)膠囊。對(duì)細(xì)菌進(jìn)行基因編輯，使其能夠?qū)ρ装Y相關(guān)分子（一氧化氮、硫化氫）進(jìn)行發(fā)光反應(yīng)，并在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化為無線信號(hào)，成功在動(dòng)物模型中實(shí)現(xiàn)了對(duì)胃腸道炎癥因子的監(jiān)測(cè)，有助于炎癥性胃腸病的早期診斷，同時(shí)能夠準(zhǔn)確跟蹤疾病進(jìn)程。這些小型化設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物胃腸道組織生理特性、形貌以及疾病標(biāo)志物分子的監(jiān)測(cè)，但也需要設(shè)計(jì)相關(guān)的功能化微納機(jī)器人并拓展其在多種生物體組織中的成像、傳感及檢測(cè)等應(yīng)用。

2.2 靶向遞送

傳統(tǒng)被動(dòng)給藥方式下，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的有效藥物量不足1%，新型靶向納米制劑能夠通過被動(dòng)靶向、主動(dòng)靶向及物理靶向方式提高藥物在目標(biāo)組織或器官中的積累，但尚未達(dá)到特異性積累的目標(biāo)。然而智能微納機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)巡航，并特異性靶向至目標(biāo)區(qū)域或通過信號(hào)反饋系統(tǒng)判斷所處生化環(huán)境特性后，主動(dòng)釋放藥物，從而提高藥物治療效率，降低對(duì)正常組織的毒副作用[49]。Cai 等[50]設(shè)計(jì)了一種吸盤狀氣泡驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人，其底部球面負(fù)載鎂粉，多孔水凝膠借助高體積比實(shí)現(xiàn)高效的藥物負(fù)載。在胃液中，吸盤狀氣泡驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人產(chǎn)生氫氣實(shí)現(xiàn)自發(fā)運(yùn)動(dòng)，借助獨(dú)特的吸盤結(jié)構(gòu)，微納機(jī)器人能夠有效附著在胃潰瘍區(qū)域并釋放藥物，對(duì)胃潰瘍具有良好的治療效果。此外，一些趨向性細(xì)菌具有天然靶向腫瘤的能力，實(shí)體瘤的缺氧環(huán)境、腫瘤微環(huán)境中產(chǎn)生的分子信號(hào)等均為微生物靶向腫瘤提供了先天條件。為了增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)腫瘤的靶向殺傷性，聶廣軍與趙瀟團(tuán)隊(duì)使用功能化四氧化三鐵納米粒子修飾基因工程大腸埃希菌構(gòu)建了具有“主動(dòng)導(dǎo)航”“信息解碼”“信號(hào)反饋”“信號(hào)處理”和“信號(hào)輸出”5個(gè)功能模塊的磁控生物微納機(jī)器人[51]。在結(jié)腸特異性給藥后，該磁控生物微納機(jī)器人主動(dòng)靶向腫瘤，并在交互磁場(chǎng)下使局部溫度升高，從而實(shí)現(xiàn)熒光成像和細(xì)菌裂解后免疫治療藥物的釋放，進(jìn)一步達(dá)到對(duì)腫瘤的精準(zhǔn)免疫治療而避免了免疫藥物帶來的血液毒性。

此外，干細(xì)胞療法在再生醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的關(guān)注，通過將活細(xì)胞注射、移植入患者體內(nèi)，可以替代、修復(fù)或增強(qiáng)受損組織的生物學(xué)功能[52]。為實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)、精準(zhǔn)靶向遞送細(xì)胞、提高細(xì)胞存活率等目標(biāo)，使用智能微納機(jī)器人進(jìn)行細(xì)胞遞送可達(dá)到準(zhǔn)確、可控及無創(chuàng)等目的[53-54]。張立團(tuán)隊(duì)使用宿主來源的干細(xì)胞（98.1%）和磁性納米粒子（1.9%）構(gòu)建了磁控柔性干細(xì)胞微米機(jī)器人[54]。在內(nèi)窺鏡幫助下的磁控柔性干細(xì)胞微米機(jī)器人可以快速通過器官和組織中的多種生物屏障，外加磁場(chǎng)能夠進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)微米機(jī)器人抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞的精準(zhǔn)快速遞送，同時(shí)宿主來源的干細(xì)胞降低甚至消除了免疫反應(yīng)。這種靶向遞送細(xì)胞的微納機(jī)器人在干細(xì)胞療法的實(shí)施上成為一種有效智能工具。

生物體中的多種生物屏障雖抵擋了外源物質(zhì)對(duì)生物體的有害侵襲，也阻礙了藥物的有效遞送，因此智能微納機(jī)器人也被用于突破多種生物屏障來提供有效藥物治療[55]。Zhang 等[56-57]設(shè)計(jì)了具有磁性基底、可分離連接部分和載藥尖端3 個(gè)部分的微針狀磁控機(jī)器人。被腸溶性膠囊包裹的微針狀磁控機(jī)器人在進(jìn)入小腸時(shí)被釋放，隨后在外加磁場(chǎng)的調(diào)控下，微針尖端靠近小腸組織且由于強(qiáng)磁場(chǎng)的控制而刺入腸組織并持續(xù)釋放藥物，最后磁性基底在分離后安全排出體外。這種微針狀磁控機(jī)器人在口服胰島素調(diào)節(jié)血糖方面展示出有效治療效果。此外，血腦屏障能夠組織常規(guī)藥物分子進(jìn)入大腦，是治療腦腫瘤、神經(jīng)退行性疾病的一大阻礙。Kim 等[37]構(gòu)建的聲控壓電納米機(jī)器人在高強(qiáng)度聚焦超聲波作用下釋放一氧化氮，能夠突破血腦屏障聚集在腦實(shí)質(zhì)中，并在超聲波作用下輸出電流，實(shí)現(xiàn)深部腦刺激，刺激多巴胺能神經(jīng)元樣細(xì)胞釋放多巴胺，從而減輕神經(jīng)退行性疾病的癥狀。

2.3 微創(chuàng)手術(shù)

能夠通過機(jī)械臂及手術(shù)器械模擬主刀醫(yī)師技術(shù)動(dòng)作的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在腹腔軟組織微創(chuàng)手術(shù)中展現(xiàn)了出色的手術(shù)效果和優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)地，微納機(jī)器人也能夠?qū)崿F(xiàn)在微納米尺度下的精準(zhǔn)操控甚至單細(xì)胞操控。Wu 等[9]制備的螺旋槳狀磁控微納機(jī)器人具有和玻璃體基質(zhì)孔隙相匹配的亞微米尺寸，可以借助光滑表面在外加磁場(chǎng)控制下實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，克服生物聚合物的黏附，成功抵達(dá)視網(wǎng)膜，為眼科微創(chuàng)手術(shù)治療提供了有力工具。通過在聚碳酸酯膜孔中依次沉積金、銀和鎳, Pumera 團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了能夠針對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行顯微手術(shù)操作的金/銀/鎳磁控微納機(jī)器人[58]。該磁控微納機(jī)器人具有良好的推進(jìn)效率和較高的磁場(chǎng)階躍頻率，在橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制下能夠進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，并能在保留質(zhì)膜完整的情況下切除部分細(xì)胞質(zhì)以用于進(jìn)一步的深入研究。

3 結(jié)語與展望

自1959 年微型“外科醫(yī)生”設(shè)想被提出[1]，微納米加工技術(shù)、生物流體、材料工程等多學(xué)科的發(fā)展和融合使得智能微納機(jī)器人逐漸成為現(xiàn)實(shí)。憑借尺寸小、靈活度高、無線操控等優(yōu)勢(shì)，多種形貌、驅(qū)動(dòng)方式的智能微納機(jī)器人被設(shè)計(jì)用于生物體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)及狹窄空間內(nèi)的遞送和操作等。本文綜述了智能微納機(jī)器人不同驅(qū)動(dòng)方式下的自主運(yùn)動(dòng)，并對(duì)智能微納機(jī)器人在疾病診斷、靶向遞送及微創(chuàng)手術(shù)等疾病診療領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了回顧。

盡管多種智能微納機(jī)器人在疾病診療中取得了令人驚喜的進(jìn)展，但距其實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)。1）生物材料方面，為實(shí)現(xiàn)智能微納機(jī)器人的在體應(yīng)用，制備材料和驅(qū)動(dòng)燃料應(yīng)該選取生物相容性好、無毒性副產(chǎn)物、避開免疫系統(tǒng)清除的生物材料。此外，智能微納機(jī)器人的可控降解性或回收機(jī)制仍需要各領(lǐng)域研究人員持續(xù)關(guān)注。2）驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，目前化學(xué)燃料、外加場(chǎng)源和生物能源等驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了智能微納機(jī)器人在低雷諾系數(shù)環(huán)境中的自主運(yùn)動(dòng)，但化學(xué)燃料及生物能源驅(qū)動(dòng)的智能微納機(jī)器人壽命有限且單一的驅(qū)動(dòng)策略難以精準(zhǔn)操控智能微納機(jī)器人。因此，具有多種驅(qū)動(dòng)策略、可控精度高、使用壽命長的智能微納機(jī)器人有待研發(fā)。3）功能方面，智能微納機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)血液、玻璃體及胃腸道黏液的自主運(yùn)動(dòng)及穿透生物屏障抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域的能力。此外，智能微納機(jī)器人在生物體內(nèi)的可控性和自適應(yīng)性對(duì)其在體內(nèi)的遞送能力、成像性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能提出了要求?？傊?，基于以上3 個(gè)方面問題的解決，有助于智能微納機(jī)器人的個(gè)性化制備和性能完善，有望在未來疾病診療中發(fā)揮巨大潛力。