斯宾克斯教授说:我们偶然间发现一种材料,当向其施加一定的电压时,会产生旋转运动。通过研究,我们发现它的性能特征在自然界中存在一些类似物,如大象的鼻子,蜥蜴的舌头,甚至细菌的鞭毛。

新华社华盛顿4月27日电美国麻省理工学院带领的国际科学团队设计出一种微型磁性机器人,可突破血流阻力将携带药物的纳米颗粒送至肿瘤或其他病灶深处。

大约5年前,美国德州大学纳米技术研究院的科学家们开始尝试使用碳纳米管(CNTs)制造所谓的导电性智能纺织物。碳纳米管是一种碳原子构成的中空管状物。斯宾克斯说:他们试图研制一种多功能纺织物,这种纺织物可以充当电池,充当天线,甚至可以具备防弹功能。

纳米颗粒药物在肿瘤等疾病治疗中显现出诸多益处,但存在易受血流阻碍、难以深入组织等障碍。新近发表在美国《科学进展》杂志上的研究显示,这种3D打印出来的机器人和细胞大小差不多,有像细菌鞭毛一样的结构驱动机器人前进,表面涂有一层镍钛合金,可被外部磁场控制从而深入病灶。

科学小组成员贾瓦德弗罗基(Javad
Foroughi)当时正在用一小段碳纳米纤维进行实验,他突然发现当这种材料浸没于电解质中时,如果对其施加一个电压,材料会发生旋转。而如果将电压反转,材料的旋转方向也会跟着反转。

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自然界中的螺旋形肌肉组织,如章鱼的触手,内部都拥有一套螺旋形缠绕的纤维组织,它们可以围绕一个位于中央部位不可压缩的轴心进行压缩并以此实现旋转动作。相比之下,这种螺旋形碳纳米纤维的旋转动作则是由于当施加电压场时,材料会吸收更多电解质,因此产生了一种推动力。

左图展示磁性机器人将携带药物的纳米颗粒送至肿瘤病灶深处,右图展示自然界存在的趋磁细菌同样可以向病灶递送抗癌药物。(图片来源:麻省理工学院官网)

尽管也有其它材料显示出类似的特性,但是这种碳纳米管材料是到目前为止发现的旋转效应最明显的一种。这种碳纳米管纱线每分钟可以转动600圈,平均每厘米材料的旋转性能要比其它材料高出1000倍。斯宾克斯说:你所用材料的螺旋线长度越长,旋转的次数也就会越多。

研究人员设计了一个模拟肿瘤周围血管环境的微流体系统,当给机器人施加外部磁场后,其人造鞭毛开始旋转,进入200微米宽的模拟血管孔道中,与孔道中流动的液体形成对流,从而将大小200纳米的聚苯乙烯颗粒推入目标组织,浸入组织深度几乎是没有磁场机器人帮助下的2倍。

广泛的应用前景

研究团队还实现直接利用自然界存在的趋磁细菌替代磁性机器人,递送抗癌药物。这种可以产生氧化铁的细菌,施加特定方向的旋转磁场时,可快速推动纳米颗粒到达目标组织。

在他们的论文中,斯宾克斯和他的同事们展示了如何将这种材料制成一种微型毫米级桨叶式搅拌机,可用于进行液体的搅拌混合。除此之外,研究小组还希望这一技术将造福其它微型机械设计。他说:总的来说,在任何需要在有限的狭小空间内进行机械作业的地方,他都将有用武之地。因为要采用传统工艺制作那么小的马达是很困难的。他还认为这种技术可以被应用于消费电子产品设计中,如用来制作手机的变焦镜头。

研究人员说,研究中采用的纳米颗粒足以运送较大载荷,如“基因剪刀”系统CRISPR等。他们下一步计划展开动物实验。

但是研究人员表示,这种技术或许还有更加重要的用途,那就是发展纳米机器人技术,用于帮助体内给药,去除寄生虫,以及对抗癌症。在现阶段,开发纳米机器人的最大障碍在于如何实现让机器人在人体血液内驱动的问题。斯宾克斯表示这种新型肌肉组织材料将帮助解决这一重要难题:它可以模拟细菌使用其后部鞭毛推进的方式实现纳米机器人在人体血液中的驱动。

目前,科学家们正在研究如何利用相关材料帮助进行复杂的人工耳蜗植入手术。这种精密的装置必须被安装在一个非常狭小的空间内,其中涉及许多精密脆弱的瓣膜结构。斯宾克斯表示他们小组的长期研究目标是开发一种特殊的可穿着装置,来帮助人体运动。他们同时还在开发一种独特的袖管,它可以帮助人体运动,或者帮人体按摩。

要去做,就像其它许多化学产品一样,我们还需要大量的工作才能确定这种材料是否是安全的,或者在何种情况下是安全的。