麻省理工学院的工程师设计出微型机器人，可帮助药物递送纳米颗粒穿出血液，并进入肿瘤或其他病灶。这些机器人如同电影《神奇旅程》中的飞行器——这部20世纪60年代的科幻电影讲述了一艘潜艇上的船员缩小后在人体内穿行，以修复受损细胞——它们在血液中游动，形成一股将纳米颗粒一并带走的流体流。
受细菌推进方式启发的磁性微型机器人，或可帮助克服纳米颗粒药物递送面临的最大障碍之一：让颗粒穿出血管并聚集到正确位置。
“当你把纳米材料放入血液并使其靶向病变组织时，这类载荷进入组织面临的最大障碍就是血管内壁，”桑吉塔·巴蒂亚说。她是约翰与多萝西·威尔逊健康科学与技术及电气工程与计算机科学教授、麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所成员，也是该研究的资深作者。
“我们的想法是看看能否利用磁力产生流体作用力，将纳米颗粒推入组织，”西蒙娜·舒尔勒补充道。她曾在麻省理工学院从事博士后研究，是论文第一作者。该论文发表于4月26日的《Science Advances》。
在同一项研究中，研究人员还展示了如何利用天然具有磁性的活菌群实现类似效果。研究人员表示，这两种方法可能分别适用于不同类型的药物递送。
微型机器人
舒尔勒现任瑞士联邦理工学院（苏黎世联邦理工学院）助理教授。她最初在苏黎世联邦理工学院布拉德·纳尔逊的多尺度机器人实验室读研究生时，开始研究微型磁性机器人。2014年，她来到巴蒂亚的实验室从事博士后研究，并开始探索这类机器人能否提高纳米颗粒药物递送的效率。
在大多数情况下，研究人员会让纳米颗粒靶向被“渗漏”血管包围的病灶，例如肿瘤。这使颗粒更容易进入组织，但递送过程的效果仍未达到所需水平。
麻省理工学院团队决定探索磁性机器人产生的作用力能否提供更好的方式，将颗粒从血液中推入靶病灶。
舒尔勒在这项研究中使用的机器人长0.35毫米，大小与单个细胞相近，可通过施加外部磁场进行控制。研究人员将这种仿生机器人称为“人造细菌鞭毛”：它由一个微小螺旋结构组成，形似许多细菌用来推进自身的鞭毛。机器人由高分辨率3D打印机打印而成，随后镀上镍，使其具有磁性。
为了测试单个机器人控制附近纳米颗粒的能力，研究人员构建了一个微流控系统，用来模拟肿瘤周围的血管。系统中的通道宽度为50至200微米，内衬带孔凝胶，以模拟肿瘤附近出现的血管破损。
研究人员利用外部磁体向机器人施加磁场，使螺旋结构旋转并在通道中游动。由于流体在通道中朝相反方向流动，机器人保持静止并形成对流，将直径为200纳米的聚苯乙烯颗粒推入模型组织。这些颗粒进入组织的深度，是未借助磁性机器人的纳米颗粒的两倍。
巴蒂亚说，这类系统有望集成到支架中。支架固定不动，易于通过外部施加的磁场进行靶向。这种方法或可用于递送药物，帮助减轻支架所在部位的炎症。
细菌群
研究人员还开发了这一方法的变体，使用天然具有磁趋性的细菌群代替微型机器人。巴蒂亚此前开发过可用于递送抗癌药物和诊断癌症的细菌，利用的是细菌天然容易聚集在病灶处的特性。
在这项研究中，研究人员使用了一种名为Magnetospirillum magneticum的细菌，它能天然生成氧化铁链。这些磁性颗粒称为磁小体，有助于细菌确定自身方向并找到偏好的环境。
研究人员发现，将这些细菌放入微流控系统，并以特定方向施加旋转磁场后，细菌便开始同步旋转并朝同一方向移动，带动附近的纳米颗粒。在这种情况下，研究人员发现，纳米颗粒进入模型组织的速度，是未借助磁力递送时的三倍。
这种细菌方法或更适用于肿瘤等情形下的药物递送：细菌群可在外部控制，无需视觉反馈，并能在肿瘤各处的血管中产生流体作用力。
巴蒂亚说，研究人员在这项研究中使用的颗粒足够大，可以携带大量载荷，包括CRISPR基因编辑系统所需的组件。她目前计划与舒尔勒合作，进一步开发这两种磁性方法，并在动物模型中进行测试。
