在2006年一個(gè)清爽的秋天傍晚，Sylvain Martel博士屏住呼吸，技術(shù)人員將一只麻醉的豬放入旋轉(zhuǎn)的fMRI機(jī)器中。他的目光專注地盯著電腦屏幕，電腦屏幕上顯示出磁珠在豬的精致血管內(nèi)盤(pán)旋。房間里的緊張感是顯而易見(jiàn)的。

突然，珠子跳起來(lái)，像一艘微型潛水艇一樣毫不費(fèi)力地沿著船只跳到下一個(gè)目的地。球隊(duì)爆發(fā)出歡呼聲。

Martel和他的團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試一種通過(guò)操縱機(jī)器的磁力來(lái)遠(yuǎn)程控制活體動(dòng)物體內(nèi)微小物體的新方法。這是第一次，它起作用了。

科學(xué)家和作家長(zhǎng)期以來(lái)一直夢(mèng)想著能夠駕馭身體巨大的血管系統(tǒng)的微型機(jī)器人，就像太空探險(xiǎn)家一樣，對(duì)星系及其居民進(jìn)行測(cè)量。潛力很大：例如，小型醫(yī)療微型飛機(jī)可以將放射性藥物穿梭到癌癥集群，在體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)，或者清除深入心臟或大腦內(nèi)部的血栓。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人專家布拉德利·尼爾森博士說(shuō)，“夢(mèng)想就是神奇的航行”，但機(jī)器人專家卻沒(méi)有人，他參考了一部經(jīng)典的科幻電影，其中一群人萎縮，穿過(guò)一個(gè)人的血液進(jìn)行腦部手術(shù)在垂死的情報(bào)人員身上。

目前，醫(yī)療微型計(jì)算機(jī)仍然大多是虛構(gòu)的，盡管這種情況在十年內(nèi)會(huì)發(fā)生變化。本周寫(xiě)于大自然，Drs。德國(guó)德累斯頓Leibniz IFW的Mariana Medina-Sánchez和Oliver G. Schmidt從大屏幕轉(zhuǎn)向納米工程實(shí)驗(yàn)室，制定了優(yōu)先事項(xiàng)和現(xiàn)實(shí)測(cè)試，讓這些小外科醫(yī)生煥發(fā)生機(jī)。

建造螺旋槳

醫(yī)療微型計(jì)算機(jī)是醫(yī)療領(lǐng)域小型化之旅的一部分。早在2001年，一家以色列公司推出了PillCam，這是一種糖果大小的塑料膠囊，里面裝有照相機(jī)，電池和無(wú)線傳輸設(shè)備。沿著消化道向下行進(jìn)時(shí)，PillCam定期無(wú)線傳回圖像，提供比傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡或X射線成像更靈敏，毒性更小的診斷措施。

尺寸方面，PillCam對(duì)于理想的微型煙塊來(lái)說(shuō)是巨大的，使其僅適用于我們消化系統(tǒng)的相對(duì)寬的管道。避孕藥也是被動(dòng)的，無(wú)法在有趣的地方徘徊進(jìn)行更詳細(xì)的調(diào)查。

“一個(gè)真正的醫(yī)學(xué)微型計(jì)算機(jī)必須通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的充滿液體的管道網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)并引導(dǎo)自身進(jìn)入身體深處的組織，”Martel解釋道。

不幸的是，身體對(duì)外人非常敵視。微型機(jī)器人必須能夠在腐蝕性胃液中存活并在血流中向上游劃槳，而不需要電池供電的馬達(dá)。

世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在找出解決電力問(wèn)題的巧妙替代方案。一個(gè)想法是創(chuàng)造基本上是化學(xué)火箭的：裝有“燃料”的圓柱形微型火箭 - 加入金屬或其他催化劑 - 其與胃液或其他液體反應(yīng)以從管的后部排出氣泡。

“這些電機(jī)很難控制，”Medina-Sánchez和Schmidt說(shuō)。我們可以使用化學(xué)梯度大致控制它們的方向，但它們沒(méi)有足夠的耐力和功效。根據(jù)人體供應(yīng)的糖，尿素或其他生理液體設(shè)計(jì)無(wú)毒燃料也很困難。

可以說(shuō)是更好的替代方案是可以通過(guò)磁場(chǎng)變化推動(dòng)的金屬物理電機(jī)。正如他的小豬實(shí)驗(yàn)所證明的那樣，馬特爾是第一批探索這些螺旋槳的人。

Martel解釋說(shuō)，MRI機(jī)器非常適合轉(zhuǎn)向和成像金屬微型原型機(jī)。該機(jī)器具有幾組磁性線圈：主要組件在通過(guò)導(dǎo)管注入血流后對(duì)微型燃燒器進(jìn)行磁化。然后，通過(guò)操縱MRI的梯度線圈，我們可以產(chǎn)生弱磁場(chǎng)以將微型血管推向血管或其他生物管道。

在隨后的實(shí)驗(yàn)中，Martel制造了涂有癌癥藥物的鐵鈷納米粒子，并將這些小型士兵注入兔子體內(nèi)。使用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)改變磁場(chǎng)，他的團(tuán)隊(duì)將機(jī)器人引導(dǎo)到目標(biāo)位置。盡管在該特定研究中沒(méi)有可以殺死的腫瘤，Martel說(shuō)類似的設(shè)計(jì)可能對(duì)肝癌和其他血管相對(duì)較大的腫瘤有用。

為什么不小船?問(wèn)題是，再次，權(quán)力。Martel只能將機(jī)器人縮小到幾百微米 - 任何較小的磁性梯度都要大到可以破壞大腦中的神經(jīng)元放電。

Cyborg Microbots

更優(yōu)雅的解決方案是使用已經(jīng)存在于自然界中的生物電動(dòng)機(jī)。細(xì)菌和精子都配有鞭狀尾巴，可以將它們自然地推進(jìn)身體的復(fù)雜隧道和蛀洞進(jìn)行生物反應(yīng)。

通過(guò)將機(jī)械鉆頭與生物鉆頭相結(jié)合，當(dāng)一個(gè)鉆頭搖擺不定時(shí)，這兩個(gè)部件可以相互提升。

一個(gè)例子是spermbot。施密特以前設(shè)計(jì)的微小金屬螺旋纏繞著“懶惰”的精子，使它們能夠提供靈活性以達(dá)到卵子。精子也可以裝載藥物，與磁性微結(jié)構(gòu)相連，以治療生殖道癌癥。

然后有一些稱為MC-1的特殊細(xì)菌群，它們與地球的磁場(chǎng)對(duì)齊。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)非常微弱的場(chǎng) - 剛好足以克服地球 -科學(xué)家們可以將細(xì)菌的內(nèi)部指南針指向一個(gè)新的目標(biāo)，如癌癥。

不幸的是，藥物標(biāo)記的MC-1細(xì)菌僅在溫血中存活約40分鐘，并且大多數(shù)細(xì)胞不足以在血液中游泳。Martel設(shè)想了一種由細(xì)菌和脂肪泡沫組成的混合系統(tǒng)。充滿磁性顆粒和細(xì)菌的氣泡將使用強(qiáng)磁場(chǎng)引導(dǎo)到較大的血管中，直到它們撞到較窄的血管。撞擊后，氣泡會(huì)彈出并釋放細(xì)菌群，以便在較弱的磁場(chǎng)作用下完成行程。

推進(jìn)前進(jìn)

雖然科學(xué)家對(duì)螺旋槳有很多想法，但主要的障礙是一旦它們被釋放到體內(nèi)就會(huì)跟蹤它們。

結(jié)合不同類型的成像技術(shù)可能是前進(jìn)的方向。超聲波，MRI和紅外線都太慢，無(wú)法跟蹤在體內(nèi)深處操作的微型小鼠。但是，結(jié)合光，聲和電磁波可以提高分辨率和靈敏度。

理想的情況下，成像方法應(yīng)該能夠跟蹤微型電動(dòng)機(jī)10厘米皮膚下，在3D和實(shí)時(shí)，在每秒幾十微米的最小速度移動(dòng)，說(shuō)麥地那-桑切斯和Schmidt。

這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，盡管他們希望最先進(jìn)的光聲方法 - 結(jié)合紅外和超聲成像 - 能夠在幾年內(nèi)“跟蹤微型”。

然后就是在他們完成任務(wù)后如何處理機(jī)器人的問(wèn)題。讓它們?cè)隗w內(nèi)漂移會(huì)導(dǎo)致凝塊或其他災(zāi)難性的副作用，例如金屬中毒。將機(jī)器人驅(qū)回到起點(diǎn)(例如，嘴巴，眼睛和其他天然孔)可能太乏味了?？茖W(xué)家們正在探索更好的選擇：自然地驅(qū)除機(jī)器人或者用可生物降解的材料制造機(jī)器人。

后者還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：如果材料對(duì)熱，pH或其他身體因素也很敏感，他們可以制造無(wú)需電池的自動(dòng)生物機(jī)器人。例如，科學(xué)家們已經(jīng)制作了一些小的星形“夾子”，它們?cè)诒┞队诟邷貢r(shí)會(huì)在組織周圍閉合。當(dāng)放置在患病器官或組織周圍時(shí)，夾子可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)活檢，提供一種侵入性較小的篩查結(jié)腸癌或監(jiān)測(cè)慢性炎癥性腸病的方法。

Medina-Sánchez和Schmidt說(shuō)：“我們的目標(biāo)是能夠自我感知，診斷和行動(dòng)的微型計(jì)算機(jī)，而人們可以監(jiān)控它并在發(fā)生故障時(shí)保持控制。”

醫(yī)療微博的奇妙航行才剛剛開(kāi)始。

材料，微生物和微觀結(jié)構(gòu)的所有組合需要首先一起測(cè)試它們?cè)趧?dòng)物中的行為以確保安全性和功能?？茖W(xué)家們也在等待監(jiān)管機(jī)構(gòu)趕上，并讓臨床醫(yī)生考慮在診斷和治療中部署這些新微型機(jī)的新方法。

但在不斷擴(kuò)大的領(lǐng)域，樂(lè)觀情緒正在增長(zhǎng)。

“有了一個(gè)協(xié)調(diào)推動(dòng)，microbots可能在十年內(nèi)的非侵入性治療的時(shí)代迎來(lái)”申報(bào)梅迪納-桑切斯和施密特。