超声波供电的微型机器人：能清除血液中的细菌与毒素

导读

近日，美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发出一种由超声波供电的微型机器人，它可以在血液中游动，去除有害的细菌及其产生的毒素。

背景

近年来，科学家们一直在研究能够更好地服务人类健康以及治疗疾病的微型机器人。这些微型机器人能进入人体并在特定位置给药，或者展开精准的手术，例如清除动脉拥堵。对于这种类型的研创新究案例，笔者之前也有过介绍，让我们先来回顾一下：

1）美国麻省理工学院，英国谢菲尔德大学，日本东京工业大学的研究人员开发出一种微型折纸机器人，它可以经压缩后放进可吞咽的胶囊中，当胶囊溶解后，它将自己打开并接受外部磁场控制在胃壁上爬动，用于移除误吞的纽扣电池或者修复伤口。

（图片来源：Melanie Gonick/MIT）

2）瑞士洛桑联邦理工学院和苏黎世联邦理工学院的科学家们，受细菌的运动方式启发，设计出一种可重构的微型机器人。在电磁场远程控制下，它可以在人体内运动，用于给药或者手术。

（图片来源：Selman Sakar）

创新

今天，笔者要为大家介绍一种新的微型机器人。近日，美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发出一种由超声波供电的微型机器人，它可以在血液中游动，去除有害的细菌以及它们产生的毒素。

涂有血细胞和血小板混合物薄膜的纳米机器人的彩色扫描电镜图像

（图片来源：Esteban-Fernández de ávila/Science Robotics）

这项研究于5月30日发表在《Science Robotics》杂志上，它融合了加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院纳米工程系教授 Joseph Wang 和 Liangfang Zhang 开创的技术。Wang 的团队开发了超声波供电的纳米机器人，Zhang 的团队发明了在自然细胞膜中涂覆纳米颗粒的技术。

技术

研究人员在金纳米线涂上血小板和红细胞混合物的膜，制造出纳米机器人。细胞混合物的膜涂层，使得纳米机器人可以一次开展两种不同细胞的任务：血小板，捆绑耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）病原体（一种耐抗生素的金黄色葡萄球菌菌株）；红细胞，吸收并中和这些细菌产生的毒素。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

纳米机器人的金体可以响应超声波，使其在没有化学燃料的情况下迅速地游来游去。这种移动能力帮助纳米机器人在血液中与它们的目标（细菌和毒素）有效地融合，并加速解毒。

Wang 表示：“通过将自然的细胞涂层结合到人工合成的纳米机器上，我们能够赋予微型机器人新功能，例如从身体和其他母体中去除病原体和毒素。这是一个适合各种疗法和生物解毒应用的概念验证型平台。”

论文的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校 Wang 的研究小组的博士后访问学者 Berta Esteban-Fernández de ávila 表示：“这个想法创造出的多功能纳米机器人可以一次开展不同的任务。在每个纳米机器人涂层中将血小板和红细胞相结合，可以产生相互促进的作用，血小板的攻击目标是细菌，而红细胞则是针对细菌产生的毒素并中和这些毒素。”涂层也可以防止纳米机器人受到一种称为“生物淤积”的过程的影响。当蛋白质聚积在外界物体上，会妨碍它们正常工作。

MRSA细菌附着在涂有细胞混合物薄膜的纳米机器人上的扫描电镜图像

（图片来源：Esteban-Fernández de ávila/Science Robotics）

为了创造出混合物涂层，研究人员首先将整个膜从血小板和红细胞中分离出来，然后施加高频超声波将这些膜融合到一起。因为膜是从实际的细胞中分离出来的，所以具有原始细胞表面蛋白质的所有功能。为了制造这种纳米机器人，研究人员采用特定的表面化学将混合物薄膜涂覆到金纳米线上。

纳米机器人的宽度不足人类头发丝的1/25。通过超声波供电，纳米机器人在血液中游动的速度可达35微米每秒。在测试中，研究人员采用纳米机器人处理受到MRSA及其毒素污染的血液样本。五分钟之后，这些血液样本中的细菌和毒素的数量，变为未经处理的样本中的细菌和毒素的数量的三分之一。

价值

这种概念验证型纳米机器人，未来将为生物体液的解毒与净化提供一种安全有效的方法。这项研究仍处于早期阶段。研究人员表示，最终的目标并不是将纳米机器人专门用于治疗MRSA感染，而更普遍的应用是为生物体液解毒。

未来

未来的研究工作包括在活的动物中展开测试。团队也在致力于用生物可降解的材料取代金来制造纳米机器人。

关键字

机器人、细胞、医疗、纳米

参考资料

【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2550

【2】http://dx.doi.org/10.1126/scirobotics.aat0485