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微型火箭机器人血液中的“长三乙”
发布时间:2022-09-09 12:25:16 来源:火狐体育app官网平台

  长久以来,研讨者一向希望完成微/纳机器人经过血管体系抵达人体的各个部位,就像许多科幻电影(如《超验骇客》)中想象的相同,使用微/纳机器人进入人体的特定安排或器官进行精准的药物投递或许外科手术,已达到个性化医学确诊和医治。

  可是,如安在血液这种黏性介质中高速驱动微型机器人仍是当下的一大应战。此外,一旦微型机器人进入血流中,怎么完成单个微型机器人的位姿调查和盯梢也好不容易。

  针对这两大应战,香港城市大学生物医学工程学院申亚京课题组在世界顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 宣布论文。他们发明晰一种火箭状微型机器人,搭载一套全光学驱动及成像体系,在近红外光激起下可以完成单个微型机器人在血流中的高速驱动和高分辩率观测及盯梢。

  经过立异性的火箭状多管规划,极大地提高了微型机器人的驱动力,在模仿血液的粘性甘油溶液中可以完成高达2.8 mm/s(每秒62体长)的运动速度。此外,经过与光声显微成像体系集成,可以在血液中以3.2 um的光学分辩率对单个微型火箭机器人进行定位和追寻。这项研讨为血液环境作业的微纳机器人规划、驱动以及盯梢打开了思路,有望推动和拓展微纳机器人在生物医学范畴的使用。

  长久以来,微/纳机器人的开展都备受重视,在生物医学使用中具有极大地潜力,例如药物投递、肿瘤医治或体内手术等。现在使用微/纳机器人进行药物递或肿瘤医治大多还仅仅限制在胃、肠道或许皮下安排。众所周知,血液循环体系是连通人体各个部分最好的网络,为了完成微型机器人进入其他器官,血管则是最好的通道。规划并操控微型机器人经过血管体系抵达人体的各个部位,有望完成不同安排或许器官病灶的评价和医治。

  可是,血液微型机器人的开发还面临许多应战,其间如安在血流中完成微型机器人的高效驱动和精准观测是两大中心应战。特别是关于标准小于100 um的微型机器人来说,粘稠且高速活动的血液是一种非常苛刻的工作环境。尽管化学驱动微型机器人具有高速运动的优势,可是化学燃料的毒性并不适用于血管环境。磁场驱动具有杰出的生物相容性,能在粘稠液体中完成杰出的可操控性,可是其运动速度却有很大的限制性。

  在所有无毒、无创物理场驱动方法中,光驱动是一种可以取得高速、高效的驱动方法,以往研讨标明脉冲激光驱动的微型机器人乃至具有穿透细胞膜的才能。此外,光驱动的调控灵敏性极大地提高了微型机器人的适用性及结构规划的灵敏性,因为完成光驱动仅需规划出微型机器人结构或许致动区域的非对称性。除了驱动之外,另一个应战是怎么准确盯梢血流中的微型机器人。当时的成像技能如X射线成像、CT或MRI成像、荧光成像、超声成像等尽管可以完成活体安排中微型机器人的集群观测,但很难完成单个微型机器人的高分辩观测和盯梢。光声成像的分辩率及对比度则更高一些,可是大多数微型机器人的光吸收作用都较差,导致成像灵敏性低。因而,现在尚未在血管中完成对单个微型机器人的高分辩观测和盯梢。

  为了有用地在血液这种高粘度液体中运送微型机器人,就需要发生很高的瞬时推动力。研讨者学习了大自然中常见的界面增强效应(如荷叶疏水),在微型机器人的结构上规划了类似于火箭的多喷嘴三维(3D)结构,增加了“火箭”的推动通道以及光激起区域的面积,有用地将驱动速度提高了三倍。如图2所示,微型火箭机器人是经过激光直写3D打印制作的,激光直写技能具有很高的分辩率,因而非常适用于3D空心微结构的阵列化制作。

  如图3所示,微型火箭机器人由三个直径20 µm,壁厚2 µm的微管组成,中心管及两头对称管的长度别离为45 µm和22.5 µm。

  为了增强光驱动力和光声成像灵敏度,在微型火箭外表镀上100 nm厚的功用层——金(Au)膜。这层Au膜在可见光和近红外波段均具有较强的光吸收才能,既能在808 nm的接连波条件下发生更强的光热驱动力,又能在632 nm的纳秒激光下发生差异于血液布景的强光声信号,因而可以一起提高微型火箭机器人的驱动功率以及观测灵敏度。

  该研讨中的微型机器人是经过光热驱动的,研讨者别离评论了微棒状、微管状及多喷嘴火箭状微型机器人的驱动作用。如图4a中有限元分析成果所示,当使用近红外光激起微型火箭机器人的尾部时,火箭尾部的温度明显高于头部温度,这种非对称性温度梯度发生的热泳力可以直接将微型机器人向前推动。此外,除了这种自热力外,中空微管结构还有利于构成管内光热能量会集,以高强暖流的方式从管中喷出。因而,比较于实心微棒结构,中空微管结构的引进大大提高了微型机器人的驱动速度。如图4b所示,在相同的时间内(1 s),多喷嘴火箭微型机器人的行进间隔最大(777.4 um),驱动速度比单个微管机器人快大约3倍,比微棒状机器人快大约7.5倍!

  因为具有附近的粘度,研讨者使用50%的甘油溶液模仿人体血液环境,研讨微型火箭机器人在高粘度溶液中的运动行为。得益于多喷嘴界面增强规划,微型火箭机器人在近红外(1W, 808 nm)激起下,可以在粘性溶液中取得超越3 mm / s的瞬时移动速度。这种瞬时的爆发力使得微型机器人可以战胜高粘流体的粘性力,完成高效的驱动操控。此外,增大鼓励激光的功率还能进一步提高移动速度。在1.5 W激起下,均匀移动速度达到了适当高的2.8 mm / s(每秒62个体长),这也是微型机器人能用于人体的基准速度。比较于其他微型机器人驱动技能,该规划在运动速度上有明显的打破,特别是具有强壮的瞬时驱动,这为微型机器人在真实体液中的有用运动供给了可能性。

  如图5a所示,经过操控激起位点可以灵敏的调控微型机器人的运动方向。当照耀微型火箭的整个尾巴时,火箭沿直线 s);当仅照耀火箭头或尾部的一侧时,不对称暖流将导致火箭的旋转运动(5.5 s至6.6 s),微型火箭机器人在1.1 s内完成了152°旋转。这种灵敏的运动操控在很大程度上提高了微型机器人的适用性,为微型机器人使用于针对性生物医疗使用供给了可能性。

  如图6,研讨者使用内径250 µm的橡胶微管灌注50%甘油模仿人体的静态血管,微型火箭机器人在光驱动下可以以225.3 µm / s的均匀速度和最大3.4 mm / s的瞬时速度进行自在移动。依据已知研讨,这是现在粘性微管中尺度大约50 µm的微型机器人所能完成的最高移动速度记载。

  为了可以对血流中单个微型机器人进行精准观测和盯梢,研讨者采用了横向分辩率为3.2 µm的光声显微(OR-PAM)体系。光声显微镜使用短脉冲激光照耀光吸收资料,资料吸收光能转换为超声信号,这种光声信号则携带了样本的特征信息。比较于惯例光学显微镜,光声成像在血液微型机器人的盯梢观测方面具有很大的优势。微型火箭机器人的外表Au镀层可以提高光声成像的对比度,因为Au镀层在532 nm照耀下可以发生比血液布景更强的光声信号。如图7b所示,尽管光学显微镜可以很好的分辩通明介质中的微型火箭机器人,可是一旦参加血液,光学显微镜则无法完成有用分辩。当使用OR-PAM体系时,因为微型火箭的光声信号振幅比布景血液高~33%,因而可以完成很好的分辩(图7 c)。为了模仿线 d将微型火箭机器人置于麻醉小鼠的耳朵下,光声成像成果(图7e)可以很好的定位和分辩微型机器人,因为微型机器人的光声信号振幅大约是布景血液的3倍(图7 f),因而可以取得高对比度的成像。

  如图8所示,将尺度约50 µm的微型机器人置于含有血液的250 µm橡胶管中模仿其在血管中的运送,OR-PAM体系可以准确地观测到单个微型火箭的形状和深度信息,两者结合则可以完成对血液中单个光驱动微型机器人的3D运动盯梢。

  一向以来,能在血液环境作业的微/纳型机器人都是生物医学范畴的研讨热门。面临该范畴的两大应战,该团队提出了火箭状多喷嘴微型机器人的新式规划概念,使用激光直写3D打印技能制备了镀金膜的微型火箭机器人,经过近红外驱动以及光声成像,成功完成了微型机器人在(模仿)血流中的高速驱动(2.8 mm / s)以及高分辩率(3.2 µm)成像和盯梢。

  研讨者表明,因为生物安排不可避免的光散射效应,现在的体系只适用于1 mm的浅层安排,而且受限于成像速度还不能完成高分辩率的实时盯梢。未来,结合对激起光源、超快激光器及高速扫描仪的优化和开展,有望开宣布快速OR-PAM体系使用于对血液中微型机器人的快速实时精准盯梢,从而为微型机器人使用于个性化生物医学确诊和医治供给可能性。

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