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应用于医疗领域的纳米机器人研究成果大盘点

2019-01-14 09:54
来源: 机器人库

中国科学院大学,清华生命科学中心,中国科学院动物研究所

如何精准的识别并杀死癌细胞是目前医学界的一大难题,用DNA制成的纳米机器人可能是一种有效的选择。《Nature》刊登了来自国内科研团队的研究成果,研究显示他们已经成功的使用纳米机器杀死了多种小鼠体内的肿瘤细胞,该研究团队的成员基本来自国内著名高校(中国科学院大学、清华生命科学中心、中国科学院动物研究所等)。

研究团队从病毒中提取DNA并将其转化为DNA片段。然后在上面加载一种名为“凝血酶”的酶(一种可以凝结血液的化学物质),然后将其卷成管状(凝血酶在DNA管的末端)。DNA纳米机器人将会受到相同DNA片段信号的指引,一旦纳米机器人被引入生物体内,他们就会四处走动,与具有相似DNA片段的细胞贴近时,它们就会附着,然后DNA管打开,暴露出凝血酶。凝血酶会凝结血液供应到肿瘤细胞内,可以有效地切断其营养物质供应并最终杀死它。

慕尼黑工业大学

世界各地的科学家们寄希望纳米工厂的新技术用于分析生化样品或生产活性医药剂。

慕尼黑工业大学(TUM)的科学家已经开发出一种新型的电推进技术。科学家基于分子研发出一种DNA纳米机器(具体来说,是一只手臂),当技术发展成熟后,它就可以被用于完成“即时任务”。利用DNA分子的电荷可以快速、准确地移动手臂,使之受到电脉冲的控制移向正确的方向,DNA纳米机器人通过电场可使得机器速度比之前快10万倍,甚至可以在几毫秒内作出反应。

休斯顿大学

一个小机器人能够穿过人类身体内部的组织?

被称为millirobots的毫米级机器人能够对医院医用扫描仪产生的磁场变化进行响应,并以此为动力穿透山羊的脑组织,这一成就对生物医学的发展产生了重要作用。许多医学研究人员已经做过关于利用磁场推动和牵引机器人在人体内移动的实验。在这种背景下,休斯顿的研究人员在一个子弹型机器人内部安装了一个“磁力锤”,这个磁力锤可以产生足够的力量来推动机器人进入动物的大脑中。

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此外,机器人体内还含有一个不锈钢珠,它可以通过磁共振成像(MRI)扫描仪产生的磁场的方向变化,推动这个钢珠在机器人体内来回移动。当移向一个方向时,此钢珠可压到机器人后面的机械弹簧,这样,在弹簧将珠子释放的时候,就可以击打机器人的前端,将机器人锤击到更深的身体组织中。

这种机器人可以利用医院的标准的MRI扫描仪,也就是说在诊治过程中,医生在患者体内移动millirobots机器人的同时可生成患者的MRI成像。

东京大学,东京医科齿科大学

人脑中因为有血脑障壁,除了葡萄糖等营养来源,血液中的物质几乎无法进入脑部,由日本东京大学和东京医科齿科大学所组成的研究团队“COINS”,日前成功开发出一种纳米机器人,直径只有30纳米(nm),表面由葡萄糖覆盖,在大脑血管的特定蛋白质与葡萄糖结合后,药物便能连带通过血脑障壁运送至大脑。

研究小组认为,透过运用这项技术,未来对一些脑部疾病可期望看到前所未有的治疗效果。

加州理工学院

美国加州理工学院生物工程助理教授Lulu Qian和同事们开发出一种由单链DNA组成的纳米机器人,这种纳米机器人能够自主地在一种分子表面上“行走”,抓住某些分子,并且将它们释放到指定的位置上。相关研究结果发表在《Science》期刊上,论文标题为“A cargo-sorting DNA robot”。

Qian说,“我们想要派送纳米机器人到人类不能够去的微小空间,如血液。我们的目标是设计和构建能够执行复杂的纳米机械任务——货物分拣(cargo sorting)——的纳米机器人。”

杜伦大学,莱斯大学,北卡罗莱纳州立大学

英国杜伦大学、美国莱斯大学以及北卡罗莱纳州立大学的科学家们研发出一种被光激活的纳米机器人。当被光激活后,这种纳米机器人可以在数分钟内钻入癌细胞并杀死它们。这项研究成果发表在最新一期的《Nature》杂志上。科学家希望在未来这种纳米机器人可以用来非常精确地递送原子级别药物,或者实际上杀死癌细胞,包括那些对现有化疗有耐药性的癌细胞,从而导致新形式的治疗。

哈尔滨工业大学机电学院,加州大学圣地亚哥分校

哈尔滨工业大学机电学院张广玉、李隆球教授和美国加州大学圣地亚哥分校约瑟夫·王教授合作的磁控微纳机器人取得重要进展,相关研究成果“磁场驱动自由泳式纳米马达”和“自主导航微纳机器人”分别发表在国际著名学术期刊《纳米快报》和《美国化学学会纳米》上。

微纳机器人是在微纳尺度上能够将不同形式的能量转化为机械运动的纳米机器人。由于尺寸小、装载能力强,微纳机器人有望横穿生物组织,运输靶向药物,实现肿瘤的精准治疗。然而,如何让机器人克服粘滞力,实现高效输送,并在人体复杂环境中实现精准操控,是面临的两大挑战。

研究团队通过采用仿生原理,发明了一种由振荡磁场驱动的镍—银—金—银—镍多金属复合结构纳米机器人。该机器人直径约为400nm,由多节柔性铰链组成,可模拟游泳运动员“自由泳”双臂交替运动形式在低雷诺数流体中快速移动,极大提高了磁驱纳米机器人的运动效率。

中科院沈阳自动化研究所

中科院沈阳自动化研究所的研究人员研发出具有实时视觉反馈能力的扫描微透镜超分辨成像技术,这种新技术可在自然条件下打破光学衍射定律所限制的观测极限,实现生命和非生命样品的超分辨实时观测,让纳米机器人的眼睛更加“锐利”。相关成果发表在《自然通讯》期刊上。

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