編譯/Mr.Cat
來源/is.mpg.de/en/news/nanorobots-propel-through-the-eye
本文基於創作共用協議（BY-NC）由貓眼科技（maoyanTC）發布
當我們還在忙著刷手機看著滿天飛的無聊段子時，科學家們正努力的將科幻變成現實，默默對抗著困擾人類的災厄問題！大眾似乎從來不關心科學家們的研究成果，從某種意義上來說這不是什麼好事兒。正如本期內容所關注的納米機器人針對醫學領域的研究，或許再過幾年，它們就可以攜帶著某種藥物進入我們體內去治癒複雜的疾病，但假如那時的我們對此依然毫無認知？就會如井底之蛙般對命運束手無措...科學家們最近開發出了一種特殊塗層的納米尺寸「運載工具」，它可以在像眼睛的玻璃體這樣的密集組織中活躍的移動。到目前為止，納米載體的傳輸僅在模型系統或生物流體中得到了證實，而在真實組織中還沒有得到證實。這項研究成果發表在《科學進步》雜誌上，這是朝著納米機器人成為精確地將藥物送到「目的地」的最小侵入性工具的方向邁出的重要一步。
納米機器人注入眼球示意圖 圖源/is.mpg.de
位於斯圖加特的馬克斯普朗克智能系統研究所的「微觀、納米和分子系統」實驗室的研究人員與一個國際科學家團隊（包括中國的科學家）一起研製出了螺旋槳狀的納米機器人，這種機器人第一次能夠鑽入眼睛中普遍存在的緻密組織。
他們在「納米鑽頭」上塗上了一層不粘塗層，納米鑽頭的寬度只有500納米，它足夠的小，足以穿透眼球玻璃體中凝膠狀物質的緊密分子基質。這種鑽頭比人類頭髮的直徑小200倍，甚至比細菌的寬度還要小。他們的形狀和光滑的塗層使納米推進器能夠相對不受阻礙地通過眼睛移動，而不損害眼睛周圍的敏感生物組織。
納米機器人 圖源/is.mpg.de
這是科學家們第一次實現能夠引導納米機器人穿過密集的組織，因為到目前為止，這只在模型系統或生物液體中得到了證實。研究人員的願景是有一天在納米推進器上裝載藥物或其他治療劑，並引導它們到達一個目標區域，在那裡它們可以把藥物送到需要的地方，以此來治癒疾病！
分子基質就像一張雙面膠帶組成的緊密網
在緻密的生物組織內靶向給藥是非常有挑戰性的，特別是在這些極小的尺度上：首先，眼球內部組織粘性稠密，這是納米推進器必須擠壓的緊密的分子基質。它起著屏障的作用，阻止較大結構的滲透。其次，即使滿足了尺寸的要求，生物聚合物網絡在眼睛中的化學特性仍然會導致納米螺旋槳卡在這個分子網格中。
想像一下，一個小螺絲釘在雙面膠帶組成的網絡中穿行有多難...
第三，精確的驅動它們也是一個挑戰。在製造納米推進器時，科學家們通過添加磁性材料（如鐵）克服了這一點，這使得他們能夠將帶有磁場的鑽頭導向所期望的目的地。
研究人員還克服了其他的障礙，即使每個納米螺旋槳尺寸不大於500納米，並採用雙層不粘塗層。第一層是結合在表面的分子，第二層是液態氟碳圖層。這樣大大降低了納米機器人與周圍組織之間的粘著力。
全氟化碳塗層的「光滑」螺旋槳 圖源/sciencemag.org 所發表的論文
這項研究的第一作者吳志光（中國科學家）解釋說：「對於塗層，我們向大自然尋求了靈感。」他是 MPI-IS（馬克斯普朗克智能系統研究所）的洪堡研究員，現在是加州理工學院的博士後。「在第二步中，我們在肉食性水罐植物（豬籠草）上發現了一層液體層，它在蠕動孔上有一個光滑的表面，用來捕捉昆蟲。它就像一個不粘鍋的特氟龍塗層。這種光滑的塗層對於機器人在眼睛內的高效推進至關重要，因為它最大限度地減少了玻璃體中的生物蛋白質網絡與納米機器人表面之間的粘附。」
納米螺旋槳在完整眼球中的運動 圖源/sciencemag.org 發表的論文
「納米機器人的推進原理，它們的小尺寸，以及光滑的塗層，將是非常有用的，不僅在眼睛中，而且對於人體內各種組織的滲透都是有用的。」田秋說。（同樣來自中國，他是論文的作者之一，同時也是 MPI-IS 微觀、納米和分子系統實驗室的組長。
田秋和吳志光都是一個國際研究團隊的成員，他們的課題是「一群光滑的微型螺旋槳穿透眼睛的玻璃體」。此外，斯圖加特大學，海德堡馬克斯普朗克醫學研究所，中國哈爾濱工業大學，丹麥胡斯大學和蒂賓根大學眼科醫院也為這項開創性工作作出了貢獻。
下面這張照片是在眼科醫院，研究人員在解剖的豬眼中測試他們的納米螺旋槳，並在光學相干斷層掃描的幫助下觀察螺旋槳的運動，這是一種臨床批准的成像技術，廣泛用於眼科疾病的診斷。
穿過眼睛走向視網膜
研究人員用小針將數萬個細菌大小的螺旋機器人注入眼睛的玻璃體內。在周圍磁場的幫助下旋轉納米推進器，然後它們遊向視網膜，在那裡蜂群般的著陸。光滑的納米機器人已經可以穿透眼睛，能夠實時精確地控制它們是研究人員的目標。所以它並沒有就此結束：研究團隊準備在其中一天利用他們的納米機器人進行定向應用。「這就是我們的願景」，田秋說。「我們希望能夠用我們的納米機器人作為各種疾病的微創治療工具，一些疾病的問題區域很難觸及，而且被密集的組織包圍著。未來不會太遠，我們將能夠裝載藥物。」
對於斯圖加特的科學家來說，這並不是他們開發的第一個納米機器人。幾年來，他們一直在利用由 Peer Fischer 教授領導的「微觀、納米和分子系統」研究小組開發的複雜的 3D 製造工藝來製造不同類型的納米機器人。數以億計的納米機器人可以在幾個小時內，通過在高真空下將二氧化矽和其他材料（包括鐵）蒸發到轉動的矽晶片上被製造出來。
關於研究團隊——
吳志光博士於2015年在中國哈爾濱工業大學獲得化學工程與技術博士學位。2013至2015年間，他是加州大學聖地牙哥分校納米工程系的客座學生。吳是洪堡研究所的研究員和「微型、納米和分子系統」實驗室的馬克斯·普朗克智能系統研究所的博士後研究員，現在是加州理工學院的博士後。
田秋博士是清華大學機械工程專業學士以及生物醫學工程專業碩士。是斯圖加特馬克斯普朗克智能系統研究所「微型、納米和分子系統」實驗室生物醫學微系統小組組長。他獲得了瑞士洛桑綜合技術學院(EPFL)的博士學位。他是馬克斯·普朗克-ETH學習系統中心的聯合研究員，也是國際馬克斯·普朗克智能系統研究學院(IMPRS-IS)的講師。他在漢姆林醫學機器人研討會上獲得了國家優秀自費留學生獎和最佳微型機器人設計獎。
Peer Fischer 博士是斯圖加特馬克斯普朗克智能系統研究所「微型、納米和分子系統」研究小組的負責人，他是斯圖加特大學的物理化學教授。他是哈佛大學的羅蘭研究員。菲舍爾教授獲得了ERC啟動贈款，贏得了世界技術獎，並持有ERC高級贈款。他是英國皇家化學學會的研究員。