在未来，微型机器人可能负责将药物精确输送到身体所需的地方。不是依赖微型人形机器人或自然的机器人复制品，而是设想一些小型泡泡状的球体。
这些创新的机器人球体必须满足许多严苛的要求。它们需要耐受恶劣的体内环境，比如胃酸，并且能够被控制以实现精确的靶向。此外，这些机器人应该在到达指定区域时才释放其治疗内容，并能够被身体吸收而不产生不良影响。
加州理工学院的研究人员现在已经开发出符合这些标准的微型机器人。这些机器人成功地输送了药物，减少了小鼠膀胱肿瘤的大小，这一研究的详细信息发表在《科学机器人学》上。
“我们创建了一个多功能平台，解决了所有这些挑战，”加州理工学院的医学工程教授、微型机器人论文的共同通讯作者魏高解释道。团队将这些微型机器人称为生物可吸收声学微型机器人（BAM）。
“与其注射药物并让其在体内扩散，我们现在可以直接将微型机器人导航到肿瘤部位，有效且可控地释放药物，”高说道。
微型或纳米机器人的理念并不是新的，过去二十年在该领域进行了大量研究。然而，在活体生物中部署这些设备面临挑战，主要是由于在动态生物液体（如血液、尿液或唾液）中精确移动物体的复杂性，高指出。此外，机器人必须与生物系统兼容，并且不留下任何有害残留物。
加州理工学院创建的微型机器人是由一种称为聚（乙烯醇）二丙烯酸酯的水凝胶制成的球形微结构。水凝胶在液态状态下开始，当其聚合物网络交联时固化。这种结构使其能够保持大量液体，而且许多水凝胶是生物相容的。制造这些微型机器人的方法使得它们的外部能够携带治疗剂到达体内作用部位。
为了改进水凝胶配方并制作微结构，高与加州理工学院材料科学和医疗工程专家Julia R. Greer合作。她的研究小组采用一种称为双光子聚合（TPP）光刻的技术，利用快速的红外激光脉冲小心地交联光敏材料，形成特定的图案。这种方法逐层构建结构，类似于传统的3D打印，但精度和复杂性要高得多。
Greer的团队成功“打印”了约30微米宽的微结构，类似于人类头发的厚度。
“创造这种特定的球形状非常棘手，”Greer指出。“这需要掌握一些专业技术以防止球体崩溃。我们不仅开发了包含所有所需医疗功能的树脂，而且还准确地将这些结构塑造成具有内部空腔的完美球体。”
在他们的最终设计中，微型机器人在球体外层整合了磁性纳米颗粒和治疗剂。磁性材料的存在使研究人员能够利用外部磁场引导机器人。当到达目的地后，机器人保持在位，同时药物缓慢释放。
微结构的表面被设计为亲水性—对水有吸引力—以确保微型机器人在体内移动时不聚集。然而，内部表面必须是疏水性的，以保持空气泡，防止其崩溃。
为了实现外部亲水性和内部疏水性的混合设计，研究人员实施了一种两步化学过程。首先，他们将长链碳分子与水凝胶结合，使其具有疏水性。然后，他们使用一种称为氧等离子刻蚀的过程，从内部表面去除一些长链结构，形成疏水的外层和亲水的内表面。
“这一发展是该项目的一项重大创新，”高表示，并指出他为罗纳德和乔安娜·威伦斯学者。“这种独特的表面处理使我们能够使用许多机器人，同时有效地在生物液体如尿液或血清中保持气泡的存在很长时间。”
确实，团队证明在这种改良下，气泡可以持续存在几天，而没有它则只能维持几分钟。
这些被困气泡不仅有助于微型机器人的运动，还能够通过超声成像实现实时跟踪。为了促进推进，设计中包含两个圆柱形开口—一个在顶部，一个在侧面。当在超声场中时，气泡会振动，通过开口推送液体，从而推动机器人。高的团队发现，两个开口使得在多种粘稠生物液体中移动更加顺畅，并且相较于只有一个开口的设计能够达到更快的速度。
每个微型机器人都含有一个像蛋一样的气泡，作为超声成像中的有效对比剂，允许实时监控机器人的体内动态。团队与超声成像专家Mikhail Shapiro、Di Wu和Qifa Zhou合作，跟踪微型机器人前往目标的过程。
项目的最后阶段涉及对小鼠膀胱肿瘤进行药物输送的微型机器人进行测试。研究人员发现，使用微型机器人在21天内施用治疗剂，能够比未使用机器人输送的方法显著减少肿瘤体积。
“我们相信这个平台在靶向药物输送和精确手术方面展现出巨大潜力，”高断言。“展望未来，我们可以探索使用这些机器人为各种疾病输送不同的治疗载荷，并从长远来看，期望在人体患者身上测试这种方法。”
这项研究得到了加州理工学院卡夫利纳米科学研究院、国家科学基金会资助、遗产医学研究所的拨款、新加坡教育部学术研究基金、国家卫生研究院资金、通过合作生物技术研究所的陆军研究办公室支持，以及来自加州理工学院深度微型机器人中心的贡献，得到加州理工学院贝克曼研究所和阿诺德与梅布尔·贝克曼基金会及大卫与露西尔·帕卡德基金会的支持。
