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利用激光激活的微型机器人进行药物治疗

将医疗目标定位于生病的身体部位和药物本身一样古老。创可贴放在有皮的膝盖上。滴落物进入眼睛发痒。断了的胳膊变成了石膏。

但通常我们的病是在身体内部,不容易触及。在这种情况下,可能需要进行手术或化疗等治疗。加州理工大学工程和应用科学部的两位研究人员正在研究一种全新的治疗方式——微型机器人,它可以将药物输送到身体内的特定部位,同时从身体外部进行监控和控制。

微机器人的概念真的很酷,因为你可以把微机械设备放在你需要的地方。可能是药物输送,也可能是预先设计的显微手术。”

王立红,加州理工大学布伦医学工程与电气工程教授

微机器人是医学工程副教授王伟高的联合研究项目,旨在治疗消化道肿瘤。

微型机器人由微小的金属镁球组成,金属镁球表面覆盖着一层薄薄的金和聚对苯二甲酸乙二醇酯(一种抗消化的聚合物)。这些层使得球体的圆形部分不被覆盖,有点像一个舷窗。镁的未覆盖部分与消化道中的液体反应,产生小气泡。气泡流就像一股射流,推动球体向前运动,直到它与附近的组织碰撞。

就他们自己而言,可以变焦的镁球微型机器人可能很有趣,但它们并不是特别有用。为了把他们从一个新奇的东西变成一个运送药物的工具,王和高对他们做了一些修改。

首先,一层药物夹在一个单独的微球和它的聚对二甲苯外套之间。然后,为了保护微型机器人不受胃部恶劣环境的影响,它们被包裹在石蜡制成的微囊中。

在这个阶段,球体能够携带药物,但仍然缺乏将药物运送到所需位置的关键能力。为此,王和高使用了光声计算机断层扫描(PACT),这是王开发的一种利用红外激光脉冲的技术。

红外激光通过组织扩散,被红细胞中携带氧气的血红蛋白分子吸收,使这些分子产生超声波振动。这些超声波振动是由压在皮肤上的传感器接收的。来自这些传感器的数据被用来创建身体内部结构的图像。

一种关键酶的相关报道可能有助于败血症病例的发现研究癌症研究英国会聚科学中心宣布,格里菲斯大学的肿瘤液化微气泡黄金海岸生物库促进了医学研究。此前,王已经表明,PACT的变化可用于识别乳腺肿瘤,甚至单个癌细胞。对于微型机器人来说,这项技术有两项工作。第一个是成像。通过使用PACT,研究人员可以在消化道中发现肿瘤,也可以跟踪微型机器人的位置,这些机器人在PACT图像中表现得很好。一旦微型机器人到达肿瘤附近,利用高功率连续波近红外激光束激活肿瘤。由于微型机器人如此强烈地吸收红外光,它们会短暂地加热,融化周围的蜡囊,并将其暴露在消化液中。此时,微型机器人的气泡喷射器启动,微型机器人开始蜂拥而至。喷气式飞机不可操纵,所以这项技术有点像一种猎枪的方法——微型机器人不会全部击中目标区域,但很多都会。当他们这样做时,他们会粘在表面,开始释放他们的药物有效载荷。

这些微电机可以穿透消化道的粘液并在那里停留很长时间。这有助于提高药物的供给,”高说。但是因为它们是由镁制成的,所以它们具有生物相容性和生物可降解性。”

动物模型的测试表明,微型机器人的性能符合预期,但高和王说,他们计划继续推进这项研究。

高说:“我们演示了一个概念,即你可以到达患病区域并激活微型机器人。”下一步是评估它们的治疗效果。”

高还说,他希望开发出能够在身体其他部位操作的微型机器人,以及不同类型的推进系统。

王说,他的目标是改善他的PACT系统与微型机器人的相互作用。它使用的红外线激光很难进入身体的更深部分,但他说应该有可能开发出一种可以进一步穿透的系统。

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