仿生无约束微纳米机器人在生物医学上的应用

Abstract

Bionic untethered micro-nano robots, due to their advantages of small size, low weight, large thrust-to-weight ratio, strong wireless mobility, high flexibility and high sensitivity, have very important application values in the fields of biomedicine, such as disease diagnosis, minimally invasive surgery, targeted therapy, etc. This review article systematically introduced the manufacturing methods and motion control, and discussed the biomedical applications of bionic untethered micro-nano robots. Finally, the article discussed the possible challenges for bionic untethered micro-nano robots in the future. In summary, this review described bionic untethered micro-nano robots and their potential applications in biomedical fields.

引言

近年来，针对尺度在微纳米级别（几纳米至几百微米）的小型机器人——微纳米机器人的研究取得了重大进展。研究人员从可游动微生物身上得到启发，制造了移动微纳米机器人。无约束的移动微纳米机器人由于具有体积小、无线移动能力强等优势，可以在狭小、难以触及和敏感的体内位置进行访问和导航^[1]。在生物医学领域，其可用于微创手术、靶向治疗以及细胞操作和分析等。

相对于较大型医疗机器人系统（如达芬奇手术机器人），微纳米机器人的研发面临着新的挑战，即在微米和纳米尺度上推进机器人系统的小型化，以进行微创手术、靶向药物递送等。因此，本文主要综述用于生物医学应用的仿生无约束微纳米机器人。

1. 仿生医用无约束微纳米机器人的机制与实际应用

仿生医用无约束微纳米机器人可以分为合成机器人和生物混合机器人。合成机器人是由合成的材料制成，如高分子聚合物、磁性材料、硅、复合材料、弹性体和金属；生物混合机器人则由生物材料和合成材料制成^[2]。生物混合机器人通常由细胞（如心肌细胞）或微生物（如细菌、藻类和原生动物）集成，并由细胞内或环境中的化学能提供动力^[3]。

设计微纳米机器人需要考虑到其物理材料、结构、机制和设计特性。对于任何与生物流体接触的材料，都需要耐腐蚀，因为高盐的水环境很容易导致机器人溢出有害物质，进而对生物体产生不良副作用。微纳米机器人的机械弹性和耐用性也非常重要，特别是在大型容器和承重组织中。医用机器人中使用的软材料要求具有较大的弹性变形能力，以便机器人能主动或被动地导航。此外，这些材料必须能够方便地装载或包覆药物、成像剂、生物传感分子，以及集成功能性微纳米材料，例如细胞、生物材料、微纳米颗粒、具备驱动和医疗功能的电线或导管。另外，与生物组织有相互作用或在人体内工作的机器人还必须具备较好的生物相容性^[2]。为了使机器人能够以期望的方式工作，通常需要添加合成的微纳米材料，这种微纳米材料对细胞无毒且不会在体内降解^[4]。简而言之，在大多数生物医学应用中，需要的是柔软、可生物降解、多功能、智能且与现有的微纳米加工工艺兼容的新型材料。

1.1. 仿生医用无约束微纳米机器人的驱动

在过去的几十年中，微纳米机器人的发展取得了巨大的进步。微纳米机器人的驱动方法主要分为物理驱动、化学驱动、生物混合驱动等方法。

1.1.1. 物理驱动

物理驱动通常是通过磁、电、光、热、声学和压电及其他机制来实现微纳米机器人的定向移动^[5]。由于磁场能够穿透大多数材料（包括生物材料）而不会产生不良反应，因此磁驱动已广泛用于微纳米机器人，为其提供远程供能和控制。磁场能产生磁力矩和磁梯度力，当微纳米机器人置于磁场中时，会受到力矩而产生运动，最终促使其磁矩与磁场方向平行，同时磁梯度力也可以使得微纳米机器人在不均匀的磁场中被吸引到更大磁通密度的区域^[6]。1996年，Honda等^[7]报道了一种基于旋转磁场的推进方法，在2.17 cm长的螺旋线上附有一个小磁铁，磁控螺旋线可以在高粘度硅油中以低雷诺数成功游动。他们的实验结果表明，基于旋转磁场的推进方法适合微纳米机器人在微尺度环境中游泳。

除了磁驱动，电驱动的微纳米机器人也具有广阔的应用前景。加拿大谢布鲁克大学Xiao等^[8]设计出了一种能模拟青虫爬行、蚯蚓蠕动、哺乳动物四肢行走以及人类双脚行走并推动物体的多功能软体液晶机器人。这种新型机器人是由电响应的液晶驱动器提供动力，在均匀的刺激源作用下，两端被同时驱动，但驱动方向或运动模式相反，从而实现两部分可逆地交替运动。这种构成简单且运动方式多样的软体液晶机器人能够为未来机器人领域的发展提供新的设计思路。

光驱动近年来也备受关注。光可为微纳米机器人提供动力，且它允许能量转移而不需要在光源和物体之间建立物理联系。此外，它还可以通过改变照明区域、光源颜色和照射时间等因素从远处控制对象^[9]。

热驱动也是微纳米机器人常用的驱动方法。例如，粒子可以响应局部产生的热梯度（自热传导）而移动，并可通过近红外激光照射的不对称金—二氧化硅粒子观察到^[10]。吸收主要发生在金侧，并且在较热的金侧和较冷的二氧化硅侧之间的流体中出现局部温度梯度，从而可以拉动或推动粒子移动^[10]。

声学推进的微纳米机器人也具有巨大的潜力，或可应用于未来造福患者的微创治疗。例如，德国马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员开发了直径为25 μm的子弹形合成微纳米机器人，该机器人以声学方式向前推进，是真正意义上的超速子弹^[11]。当该机器人暴露于超声波中时，它能够在液体中的平面或弯曲表面上滑动，其推进力比细菌、藻类等天然微生物的推进力强两到三个数量级。此外，它还可以在游动时运输物体^[11]。

另外，压电驱动也是一种驱动微纳米机器人运动的常用方法。压电驱动的运行机制是基于压电效应，将电能转化为机械位移或应力。当微纳米机器人的尺寸降到微纳米级时，由于表面效应的控制，传统执行器的效率和功率密度显著降低。为了解决这一局限性，压电驱动器作为一种替代方案受到了更多的关注。Mu等^[12]设计并实现了一种基于反激电路的压电驱动双级变换器驱动电路，可应用于微纳米机器人。

1.1.2. 化学驱动

微纳米机器人可以利用周围环境的化学能量（即燃料）来实现自身驱动。由于惯性力可以忽略不计（低雷诺数），这类微纳米机器人需要连续不断的化学能量转换和不对称的外形来维持推进。它通常由一种催化剂/活性剂金属引发化学反应，并且由惰性物质形成不对称形状。到目前为止，已发展了大量的双金属纳米棒、多层管和杰纳斯（Janus）粒子（一种具有两面性或二重性的粒子统称）形式的微纳米机器人^[13]。在化学反应方面，微纳米机器人可以通过以下两种不同的方法来实现推进。

第一种方法是由微纳米机器人周围的局部化学梯度诱导的自泳推进^[14]。这种推进方法产生的微小力仅对小于3 μm的微纳米机器人有效。Ma等^[15]用三种不同的酶（过氧化氢酶、脲酶和葡萄糖氧化酶）作为驱动力，证明了空心介孔二氧化硅的自泳推进。然而，自泳推进方法在高离子强度环境下驱动力弱、驱动能力差，这限制了其在生物医学领域的应用^[9]。

第二种方法是气泡反冲机制，气泡反冲机制是一种基于不对称化学反应诱导的气泡推进方法^[16]。Mou等^[16]研制了一种通过光诱导的二氧化钛/铂（TiO₂/Pt）亚微电机，这种TiO₂/Pt亚微电机在水氧化还原反应产生的局部电场作用下，通过光诱导产生气泡，进而驱动其运动。从基于微纳米机器人药物递送应用的角度来看，气泡反冲推进方法的主要局限性在于，漂浮的气泡在人体胃肠道以外的大多数生理环境中都是不稳定的^[13]。

1.1.3. 生物混合驱动

除了上文介绍的物理驱动、化学驱动，有些微纳米机器人不是仅靠一种驱动方式来运动的，而是使用不同驱动方式的组合。这种组合驱动的方法不仅可以促进其运动，还可以实现特定的任务，如触发治疗药物的释放。生物混合驱动一般可分为基于细菌和真核细胞两类方式^[17]，由于其固有的生物相容性，生物混合驱动的研究越来越受到人们的关注。Park等^[18]提出了一种用于活性药物靶向递送的微游泳器，将大肠杆菌附着在载有磁性纳米粒子的载药聚电解质多层微粒的表面。这种微游泳器具有向肿瘤组织趋化的能力，并且可以利用外加磁场进行远程操控。

生物混合驱动为微纳米机器人设备提供了一个有效的平台，将人工结构和生物有机体结合起来^[19]。然而，要将这些集成设备转化为实际应用，尚面临更多的挑战，比如：生物有机体在应用过程中往往表现出结构柔韧性低、寿命短的特点；其自由泳动的能力会逐步消失，或者缺乏有效与人工微纳米结构结合的方法；这些都是其实际应用中存在的不利因素^[17]。

1.2. 仿生医用无约束微纳米机器人的制造

不同于传统机器人通常依赖数控机床等来加工，仿生医用微纳米机器人的制造方法，主要包括三维（three-dimensional，3D）打印、微成型和模板辅助的逐层组装等^{[5, 20]}。

3D打印是目前广泛使用的一种方法，多喷嘴成型、熔融沉积成型、喷墨和气溶胶喷射打印、选择性激光烧结、立体光刻、数字光处理等是常见的3D打印技术^[21-23]。Wang等^[24]报道了一种3D打印的可生物降解的螺旋微游泳器。Lamont 等^[25]采用原位激光直写技术（in-situ direct laser writing，isDLW）3D打印了微流体螺旋线圈。Bozuyuk等^[26]利用双光子3D打印技术，成功构建了一种直径为6 μm，长度为20 μm的磁动力双螺旋微游泳器，可以利用外部光刺激按需主动释放化疗药物阿霉素（doxorubicin，DOX）。

微成型是使用带有微小空腔的模具来成型材料的过程。例如，Zhang等^[20]使用带有石英窗的自制压机，通过微成型方法用聚N-异丙基丙烯酰胺［poly（N-isopropylacrylamide），PNIPAM］制备动态螺旋微带。同时，该研究团队还使用这些氟化弹性体模型复制微凝胶颗粒，并嵌入了金纳米棒，用于通过近红外光对结构进行局部加热，从而产生用于其驱动的构象变化。

逐层（layer-by-layer，LbL）组装是一种自组装制造方法，它是由带相反电荷的材料依次沉积而成。通过使用不同种类的模板和溶剂，该技术可以制造各种软微纳米机器人。此外，在此过程中掺入纳米颗粒或有机分子，可以扩大其应用范围^[20]。Wu等^[27]提出了基于蛋白质—明胶材料的微型机器人，用于药物的递送和释放。他们使用孔径约5 μm的聚碳酸酯膜，通过模板辅助的逐层组装制造得到了微纳米机器人。

其他制造技术还包括材料沉积、聚焦离子束和基于模板的润湿技术等^{[5, 28]}。

2. 仿生无约束微纳米机器人的生物医学应用

对于仿生医用无约束微纳米机器人的生物医学应用，国内外的研究主要包括以下几个方向：① 用于疾病诊断和健康监测的移动式原位传感；② 靶向治疗；③ 外科微创。

2.1. 用于疾病诊断和健康监测的移动式原位传感

微纳米机器人作为一种可植入的移动传感器，可以追踪显示目标生化标记物，从而动态监测患者健康状况，对疾病进行早期诊断 ^[5]。例如，糖尿病患者每天需要进行多次采血来监测血糖水平，操作极其不方便。现已发现一些形状可改变的聚合物、纳米颗粒，可作为对内源性信号响应的可植入生物传感器候选物^[29]。Sarath等^[30]提出了一种模拟的医用微纳米机器人模型，可以通过其机载的化学传感器检测体内的血糖水平，如果患者的血糖值达到临界水平，微纳米机器人就会通过无线电信号向患者的手机发出警报，提醒患者是否需要注射胰岛素或采取进一步的措施。

2.2. 靶向治疗

靶向治疗能够增加药物、成像造影剂、小干扰核糖核酸（small interfering RNA，siRNA）、细胞、疫苗、放射性籽粒和蛋白质等治疗药物在体内特定靶区的局部浓度，同时减小身体其他部位的副作用。此外，控制释放动力学还可以调节药物在治疗部位的浓度，从而延长单剂量给药的效果。移动式微纳米机器人可以在特定的目标位置精确、可控地释放此类治疗性生物和化学物质，从而将潜在的副作用降到最低，并且可以输送更多的物质，以便患者更快、更好地恢复健康^[1]。

移动微纳米机器人作为靶向治疗的工具，现已用于胃肠道、血管等组织的靶向给药。现已有许多初步研究证明，微纳米机器人在试管和体外环境中具备递送功能^[5]。Field等^[31]报道了一种医用微米机器人（medical microrobots，MMRs），能够装载大量的药物和小分子，一旦被触发可按需释放药物。不同于由坚硬的材料组成的微纳米机器人，该设备可以将药物封装在网格中来增加药物的装载量。Hortelao等^[32]报道了尿素酶修饰的纳米机器人，该纳米机器人由介孔二氧化硅壳组成，能够装载抗癌药物到达指定地点后释放，从而做到高效给药。

微纳米机器人也可用于将干细胞运送到受损部位进行组织修复。据报道，磁导向微纳米机器人可以携带活细胞并将其运送到人体的靶区^[33]。Li等^[34]报道了裸鼠模型中HeLa宫颈癌细胞的体内运输和增殖，阐明携带的细胞可以从微纳米机器人自发释放到周围组织并增殖。这些应用表明，微纳米机器人还可作为再生医学和细胞治疗的平台辅助治疗。

2.3. 外科微创

微纳米机器人除了用于诊断和靶向治疗外，另一个医疗用途是在体内进行微创手术。由内窥镜或机器人辅助的手术显著减少了切口的大小，降低了术后患者的发病率，缩短了恢复时间，并减少了根治性手术带来的负面影响。远程显微操作作为一种治疗模式，可将微创手术的创口减小为局部可控的物理损伤。

Chatzipirpiridis等^[35]在活兔眼中进行实验，证明植入式磁性管状微纳米机器人能在眼睛的后段进行手术操作。电化学制备的微纳米机器人用23号针头向眼睛中央玻璃体液中进行注射，并用检眼镜和集成相机进行监控。该微纳米机器人通过无线控制方式绕三个轴旋转，进而在眼中进行手术操作。未来可以开发类似的磁性管状微纳米机器人，用作可植入设备，针对性地治疗人体其他狭窄部位的疾病。这些研究说明微纳米机器人辅助的手术在很大程度上减少了对组织的损伤，其在微创手术中具有很大的应用前景。

2.4. 其他

无约束磁控机器人在临床上已有成功应用，如磁控胶囊内窥镜机器人，其由生物相容的外壳组成，内部有电路控制系统来采集和传输图像，继而进行疾病诊断、药物输送和外科治疗^[36]。然而，微纳米尺度无约束磁控机器人尚未实现临床应用，目前尚处于临床前研究阶段，如Wang等^[37]提出了一种由磁性材料制成的微纳米机器人，将该微纳米机器人与透明质酸溶液一起注射到兔眼睛中，通过具有五个自由度的外部磁场远程控制，可以精确导航到兔眼睛中传统工具很难到达的区域，如靠近视网膜的玻璃体腔后部进行手术。

无约束微纳米机器人尚未正式临床应用的原因主要有两个：首先，目前微纳米机器人技术本身在临床应用方面还有一些问题需要深入研究。其次，微纳米机器人的生物安全性必须经过药监局严格审批才能真正应用于临床。

2.5. 国内外主要实验室在仿生医用无约束微纳米型机器人上的突破性工作

国内开展微纳米机器人研究的主要有哈尔滨工业大学Wang等^[38]、香港城市大学Liao等^[39]、中国科学院深圳先进技术研究所Du等^[40]。Wang等^[38]设计了一种液态金属纳米机器人，该机器人由一个包裹抗癌药物的针状镓核和一个天然白细胞膜外壳组成，它不仅可以通过超声驱动，还具有抗生物污染性和癌细胞识别能力，因此可以靶向给药和用于癌细胞光热治疗。这种生物功能化的液态金属纳米机器人为生物医学领域的应用提供了一种新型的多功能平台。

香港城市大学Liao等^[39]提出了一种以波动推进方式运动的仿生磁力驱动微纳米机器人。该微纳米机器人由四个刚性部分组成，并通过关节相连。该微纳米机器人采用3D激光光刻技术整体制造，无需进一步组装，从而简化了微纳米机器人的制造，同时提高了结构完整性。实验结果表明，在低雷诺数区，微纳米机器人成功通过波动运动沿引导方向前进。这项工作首次表明，具有多个刚性段的三维结构可以用来模拟微纳米机器人的柔韧特性，从而拓宽了微纳米机器人设计的可能性。因此该项研究有可能应用于生物医学领域，例如精准医疗中的疾病诊断和治疗。

中国科学院深圳先进技术研究院Du等^[40]受章鱼启发，设计了一种多功能仿生软体微纳米机器人。该机器人不仅具有可控和可逆的多模态运动能力，还具有重构、伪装、可视化感知环境等功能。将其与智能材料结合，有望实现仿生智能机器人在材料内部的直接控制、驱动和传感，在生物医学领域有很大的应用前景。

国外麻省理工学院Kim等^[41]、剑桥大学Koens等^[42]、苏黎世联邦理工学院Charreyron等^[43]在微纳米机器人方面也有突破性贡献。Kim等^[41]提出了一种可转向的磁控线形软体机器人，它通过编码其软体中的铁磁域和在其表面生长的水凝胶皮肤来实现全方位转向和导航。该机器人的身体由均匀连续的软聚合物基质和均匀分散的铁磁微粒组成，其直径可以缩小到几百微米以下，并且水凝胶皮肤可以减少10倍以上的摩擦力。该机器人展示了在复杂和受限的环境中导航的能力，甚至可以在脑血管这样的狭窄空间内主动滑行，为微创机器人在生物医疗领域的应用开辟了新道路。

最近，Koens等^[42]设计了一个二维螺旋结构的带状微纳米机器人，该微纳米机器人由微米级水凝胶双层膜和金纳米棒组成。由于水凝胶具有良好的溶胀性能和热响应能力，微型机器人的变形可以通过温度来调节，在近红外激光远程驱动下，它能够旋转和非互易卷曲变形。结果表明，该微纳米机器人响应时间低至毫秒，空间响应能力在微米范围内，这项研究为人工微纳米机器人开辟了一条新的途径。

目前，微纳米机器人已经成为治疗各种疾病(癌症、心血管疾病和炎症性疾病等)的一种药物输送平台。然而，它们在将材料运送到病变组织的过程中仍然存在一些困难，一是较难从血管中运输出来，二是随后难以穿透到目标组织中。Charreyron等^[43]报道了两种由旋转磁场驱动的微纳米机器人，分别是单个合成的人工细菌鞭毛和成群的趋磁细菌，通过强化局部流体对流，这两种微纳米机器人都增强了血液外渗和组织渗透的微流体模型中的纳米颗粒运输。

3. 结语与展望

随着仿生学、微纳米技术、机器人技术、生物医学、机械电子和材料科学等多个学科的发展，仿生无约束微纳米机器人的研究取得了很大进步。相对于宏观机器人，仿生微纳米机器人体积小、重量轻、推重比大，不仅可以执行很小的任务，还可以在复杂的环境中以高灵活性和高精度来实现精确导航。凭借这些优势，仿生微纳米机器人在生物传感、疾病诊断和治疗、药物输送以及微创手术等领域有广阔的应用前景。但为了适应日益增长的实际需求，仿生医用无约束微纳米机器人仍然面临一些挑战。

首先，仿生微纳米机器人应该是多功能的。受微纳米尺寸的限制，将多个功能（即驱动、感知、评估和智能）集成到一个机器人中是一个很大的挑战。在实际应用中，为了掌握机器人的实时位置和病变的治疗结果，防止微纳米机器人与外部控件失去联系，不仅要结合信号感知、采集、处理和传输，还需要改进反馈机制。

其次，仿生微纳米机器人尚未实现真正意义上的临床应用^[44]。用于体内的仿生微纳米机器人的应用需要考虑生物相容性、可靠性、生物降解性和免疫安全性，即它们不能被身体排斥，对正常组织无毒副作用，还要具有穿过诸如血管壁和生物组织的屏障的能力。否则，机器人必须配备集成的回收机制。

第三，仿生微纳米机器人需要新的能量转换机制、更强大的无线驱动和控制方法以及更合理的制造技术。现有的驱动方法在以上所有方面都存在缺陷，例如，磁性驱动器需要使用外部磁场，电场驱动器需要外部电极，光驱动器需要光来穿透组织。此外，大多数现有方法只能控制微纳米机器人在二维平面中移动，无法实现3D平面上的控制。在能源供应方面，许多微纳米机器人都由腐蚀性化学燃料驱动，这为机器人在体内使用带来了难题。

第四，仿生微纳米机器人需要新型的材料，而生物合成机器人因具有生物活性组件的优点备受关注^[45]。一些活的微生物可以直接用于组装微纳米机器人，充当这种类型机器人的传感或驱动元件。但是，如果使用这种机器人，需提供营养、特定气体以及合适的湿度。因此，需要研究一些具有更好环境适应性的新型材料。

最后，对仿生微纳米机器人的精确集群控制值得进一步研究。面对复杂的任务，单个微纳米机器人不能同时位于两个地方，如何对集群中的微纳米机器人进行同步或独立控制值得我们思考。理想的集群控制策略应包括集群中每个机器人的明确分工和机器人之间的信息交换，以便所有机器人有序地协同工作，从而完成任务^[46]。

这篇综述描述了有关仿生无约束微纳米机器人的驱动、设计制造，还讨论了微纳米机器人的生物医学应用以及未来可能遇到的挑战。随着科学技术的不断进步，将来，仿生医用无约束微纳米机器人可能会由更先进的智能材料、更先进的技术制造。它们还可能具有更多优势，例如多功能性、可重新配置性、智能性和反馈性，并具有自我发展、自我修复和自我复制的能力。

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

Funding Statement

国家自然科学基金 (61973003, 61603002，81871085，U1932158)；山东省自然科学基金肿瘤防治联合基金重点项目(ZR2019LZL018)；中国科学院合肥大科学中心协同创新培育基金重要项目(2019HSC-CIP003)；安徽医科大学基础与临床合作提升计划 (2019xkjT017)

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