苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle:用磁场控制纳米机器人抗癌

科学
苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle:用磁场控制纳米机器人抗癌
麻省理工科技评论 2019-12-15

2019-12-15

苏黎世联邦理工学院助理教授 Simone Schuerle 就曾发明过一种由 3D 打印而成的、可受外部磁场操控的微型机器人
技术 机器人
苏黎世联邦理工学院助理教授 Simone Schuerle 就曾发明过一种由 3D 打印而成的、可受外部磁场操控的微型机器人

20 世纪 60 年代,科幻片《神奇旅程》(Fantastic Voyage)第一次向人们描绘了这样的场景:利用微缩科技进入人体内部修复受损的细胞。随着科技的发展,该影片里的很多猜想现在都已实现。

纳米医疗技术专家、苏黎世联邦理工学院助理教授 Simone Schuerle 就曾发明过一种由 3D 打印而成的、可受外部磁场操控的微型机器人。这种机器人能够向肿瘤等病变组织输送纳米颗粒药物,实现更精准的靶向给药。

这种技术到底有什么神奇之处?它又会如何改变我们的生活?在全球新兴科技峰会的讲台上,Schuerle 现身说法,分享了自己和她所带领的团队在这个领域取得的最新成果,并展望了纳米医疗技术光明的未来。

苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle:用磁场控制纳米机器人抗癌

图|苏黎世联邦理工学院助理教授 Simone Schuerle(来源:EmTech China)

对于精准医学来说,如今是一个令人兴奋的时代。科学家们希望可以用新的技术,来预测病人的发病时间,并且为他们提供相应的干预,而这正是纳米医疗技术的核心。

纳米医疗技术的尺度非常小。DNA 的宽度大约是 2 纳米,而一些纳米医疗工具的大小比 DNA 还要小。在这样微小的尺度下,很多基础的物理性质都和我们所熟悉的不一样。以一块金子举例,我们所熟悉的金子的颜色,是金灿灿会反光的,然而,纳米尺度的金离子却可以呈现出五彩缤纷的不同颜色。这意味着,用于医疗的纳米机器人和常规的机器人很不一样。

Schuerle 表示,纳米医疗机器人的输入端是人体和一些外在的信号,经过处理之后,会生成相应的输出。举例来说,在输入端,能够控制和驱动纳米机器人的有磁场、超声波、温度、光感等等;而输出的信息则可以是 pH 值的变化、生物标记物的释放,甚至是微型气泡等可以用来表征疾病的信号。通过处理之后,我们就可以获得诊断信息,甚至还可以把纳米机器人作为一个医疗工具,来进行癌症的诊断和更好的治疗。

苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle:用磁场控制纳米机器人抗癌

图|纳米医疗机器人的输入、处理和输出过程。(来源:Simone Schuerle)

因此,纳米医疗技术是一个交叉融合的学科。它需要化学、生物学、医药、计算机科学、物理学等许多领域的通力合作,Schuerle 把这种合作叫做科学的整合。

在癌症治疗领域,纳米机器人可以更加有效地把治疗方法精准地实施在癌细胞上。

比如说,有一个病人可能患了癌症。通常,医生会取一个活体切片,然后对一些特定的酶进行化验,来判断罹患癌症的风险到底有多少。

对酶进行测量的方式,是利用一些传感器。当这些传感器碰到酶的时候,会释放出一些标记物,然后这些标记物是可以被探测到的。然而,酶存在于人体内的很多地方,使得这种测量的噪音非常大。Schuerle 研发出了一种纳米外壳,可以很好地保护好纳米传感器,把它们精准地送到癌症的病灶。之后,利用磁场的发热现象,激活并打开这些纳米外壳。产生的标记物可以通过尿液排出,然后我们就可以进行检测。

苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle:用磁场控制纳米机器人抗癌

图|纳米外壳可以保护纳米传感器,把它精准地送达病灶。(来源:Simone Schuerle)

另一方面,在传统的给药方法中,只有约 1% 的药物是真正能够在病灶上起效的。因此,Schuerle 希望可以利用磁控技术,把微型胶囊更好地送到病灶上。然而,由于胶囊的尺度实在是太小了,它在血液、组织里穿行的阻力非常大。阻力的大小与表面积的大小有关,一个 1 立方米的正方体,它在表面积是 6 平方米。但如果把这个正方体切成无数个大小只有 1 立方纳米的小正方体,那么总表面积会是之前的 10 亿倍。由于大小的限制,穿过人的组织去做磁力控制非常难。

Schuerle 利用仿生学,发明了一种特殊的螺旋结构纳米医疗机器人。它通过 3D 打印制造出来特殊结构,模拟的是大肠杆菌鞭毛的形态。这种特殊形状的纳米机器人,就可通过磁力的控制,实现在血液和组织里自由地移动。

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