吴志光:打造微纳机器人,将药物精准送达病患处 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

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吴志光:打造微纳机器人,将药物精准送达病患处 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-03-09

2020-03-09

吴志光凭借其在微纳米机器人领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。
技术 机器人
吴志光凭借其在微纳米机器人领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35 岁以下科技创新 35 人”榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

吴志光:打造微纳机器人,将药物精准送达病患处

吴志光

先锋者

吴志光凭借其在微纳米机器人领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:34 岁

获奖时职位:哈尔滨工业大学副教授

获奖理由:他打造的微纳机器人,可穿越多道生物屏障将药物精准送达眼底。

常规的药物递送主要依靠血液循环运输完成,但这种被动扩散方法受到多重生物屏障的阻碍,导致有效剂量不足,同时引发毒副作用,难以完成精准药物递送的需求,最新研究显示,仅有不到 0.7% 的药物能富集到病灶部位。

微纳机器人因其可在生物流体中进行可控自主运动,被认为是靶向药物递送的理想方案。

对于微纳机器人的实际医学应用,据吴志光本人介绍,对微纳送药机器人研究来说,必须要解决难题主要有 4 个:

一、克服布朗运动,实现微纳米机器人在流体中自主可控运动;

二、避开免疫系统的清理,作为外源物质,微纳米机器人一旦进入人体会受到免疫系统的攻击;

三、突破人体内的诸多生物屏障,比如血脑屏障、血眼屏障等。这些生物屏障从微观上看可以归纳成生物多孔流体,由生物大分子组成的骨架,中间则含有小分子和水,其存在的目的主要是防止外源物质对人体的侵袭。

四、实时成像和控制,即实时掌握送药机器人在活体内的位置,并控制其运动和放药等。

对微纳机器人来说,目前已经研发出运用化学,磁,光,超声和电场等方式驱动微纳米机器人进行自主运动,同时已有研究报道关于借助细胞膜伪装等多种技术可使微纳米机器人免于免疫细胞吞噬的研究。而后两个问题还有待解决。

面对微纳机器人突破多重生物屏障问题,考虑到多种生物屏障如眼内玻璃体,肺和肠胃粘液甚至大脑等,它们在微观结构大致都是由生物大分子作为骨架,内部嵌入小分子和水的三维网格结构,因此被归纳为多孔生物流体。突破生物屏障的技术难点在于如何解决微纳米机器人在运动中多孔流体的空间阻碍以及生物分子的粘附。

吴志光:打造微纳机器人,将药物精准送达病患处

图 | 吴志光在颁奖典礼上做演讲(来源:DeepTech)

吴志光将胶体与界面技术融入到微纳米机器人研究中,为了解决以上技术问题,开发了一款头部直径小于玻璃体三维网格孔径,表面涂覆纳米液态润滑层的螺旋形磁性纳米机器人,这种纳米机器人可通过在玻璃体微观网格内进行磁驱运动到达病灶部位,执行药物主动靶向递送任务,实现疾病的微创精准治疗。研究成果发表于 Science Advances, 并得到《科学》、《自然》等多家学术媒体的报道。

面对微纳机器人体内深层组织下实时成像与控制的难题,吴志光首次提出了基于光声断层扫描技术,通过找到与人体呼吸运动不符的方式对微纳机器人进行实时定位。

吴志光介绍称,载药微纳机器人首先被包裹在毫米级的微胶囊内,当微机器人胶囊抵达体内病灶时,外源近红外光可以穿透深层组织并引发胶囊破裂,从而释放微机器人。这些微机器人依靠其高效游动可穿越生物屏障,最终实现在病患区域的滞留。

在吴志光看来,让微纳机器人克服生物屏障、进行实时成像和控制对微纳机器人研究来说非常关键,吴志光表示,这将对后续更深入的研究和技术转化帮助巨大。

有意思的是,吴志光最初走上科研道路其实充满了偶然性,甚至肥胖都对吴志光选择科研工作产生了影响。

一次偶然的机会下,吴志光接触到了哈工大贺强教授,读博士的念头才开始出现在脑海中。一方面是出于自身发展的考虑,同时吴志光还怀着“读博比较累会不会有助于减肥”的想法,最终决定考博,于 2011 年进入贺强的课题组,正式走上科研的道路。如他所愿,在读博的第一个学期拼尽全力的他没有做出任何成功结果,精神一度崩溃多次跟家人商量退学未果,在这样的压力下他的体重减轻了 20 多斤。

也恰好从近 10 年开始,微纳送药机器人研究迎来了爆发式增长,学界在探索微纳机器人的过程中逐渐发现了前述的4个关键难题,并提出了相应的解决策略。尤其是磁驱动微纳米机器人因其使用对人体无害的外源匀强胶体磁场驱动方式,是目前学术界一致公认有望实现技术转化的微纳米机器人药物递送技术。另一方面,微纳米机器人是一门交叉学科,需要多领域的专家合作协力完成,为了更好的推广磁驱动微纳米机器人的研究,吴志光表示他正在与等人开发用于驱动微纳米机器人的外源交变旋转磁场设备,为有意进行该方向研究的研究学者提供设备和技术帮助。

一路走来,吴志光得到了不少外部的帮助与支持,自己面对困难时的坚持以及遇到问题时虚心请教别人意见的习惯也是推动他的重要力量,同时,没有太多的时间照顾家人也让他对家人表示歉意。

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