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二零二零年二月五日

将基础科学研究转化为临床应用
中大仿生微型机械人集群在生物流体内游走自如



香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系副教授张立教授领导的研究团队最近开发了一种仿生微型机械人集群在生物流体中运动的优化选择策略。这项工作实现了将微型机械人集群技术从基础研究转化到临床应用的重要一步,展现了它们巨大的医学应用前景。研究结果已在国际顶尖学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表。

如要将微型机械人集群应用于人体医学应用,应先充分了解它们在生物流体(例如血液及眼球内的玻璃体等)中的形成和运动行为。过往大部分相关研究都是在水中进行的,但水的物理性质与生物流体有很大差别。当流体介质从水变成各种生物流体时,微型机械人集群的形成和运动便变得非常不同且困难。

自然界中,动物单体间自发组织形成的集群行为并不罕见。科学家对各种单体在不同尺度的集群行为进行研究,尝试理解这一复杂行为的机理。其中机械人学家通过无线通讯和精巧的演算法设计,已经开发了多种可以模仿自然界集群行为与结构的机械人系统。如张立教授课题组就已开发了包括涡状群(International Journal of Robotics Research, 2018, Vol. 37, 912)和带状群(《自然通讯》2018, Vol. 9, 3260)在内的多种微型机械人集群系统,它们会按照既定的磁场并随著外部环境的形态进行变化和运动。

在是次研究中,张立教授团队将磁性活动集群分为三种类型,分别研究了两种类型的活动集群在生物流体中的形成和运动行为,并系统地分析了生物流体的粘度,离子强度和内部高分子形成的孔隙结构等各项物理特性对微型机械人集群的影响,从而总结并提出了一套新颖的策略,用于预测不同种类微型集群机械人在各种生物流体中的行为。研究人员通过多次实验,成功验证了该策略的可行性。在高粘度生物流体体系中(比如眼球的玻璃体),基于流场生成的磁性粒子集群会较为稳定;而在高离子强度的液体中(比如消化道的胃酸),基于磁场生成的集群的表现会更好。值得一提的是,在血浆和血液中,上述两种类型的微机械人集群都可以生成和按指令运动。

张立教授表示:「如果我们希望开启微纳机械人体内医疗应用的大门,微纳机械人集群在生物流体中的可控生成和定向递送是不可或缺的。我们目前正在和中大医学院的同事一起探索微纳机械人集群在医疗上的应用,如在血管和人体内其他狭小空间内的介入式治疗。同时,我们课题组也在研发相应的磁场生成和控制系统。」

此研究由香港研究资助局(RGC)、创新科技署(ITC)及中大研究事务委员会资助。张立教授领导的团队一直致力于医用微纳米机械人和系统的研究,在过去三年间,张立教授团队在螺旋藻生物合成微型机械人、微型机械人集群、消化道恶性细菌毒素即时检测,以及3D/4D打印微型机械人等方向取得一系列突破性进展,被香港研究资助局(https://youtu.be/l2NQfgW8tSQ)和创新科技署(https://www.itc.gov.hk/enewsletter/180901/en/nanobots_future_surgeons_inside_the_human_body.html)作为研究亮点报导。

注:
Active generation and magnetic actuation of microrobotic swarms in bio-fluids, Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13576-6

微纳机械人集群在人体内进行递送及局部治疗示意图。(由张立教授实验室杜星洲提供)
微纳机械人集群在人体内进行递送及局部治疗示意图。(由张立教授实验室杜星洲提供)

张立教授
张立教授

张立教授研究团队合照。
张立教授研究团队合照。