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Science Robotics 介绍3D打印柔性机器人:可植入身体定点释放药物

来源:机器之心 2017-01-09 13:32

这篇文章介绍了一种新型生物机器人,可用来定点在体内释放药物。研究论文发表在了Science 最新子刊 Science Robotics 的第二期,介绍性文章发表在 IEEE Spectrum。

当瑞士钟表匠发明 Geneva drive(一种两个齿轮构成的能够产生精准走时的机制)时,他们可能也没有想到未来有一天生物工程师会使用黏糊糊的水凝胶(squishy hydrogel)造出 15 毫米的 Geneva drive。但是现在,这些工程师可不是为了制造什么高精度钟表,而是为了打造一种生物兼容的微型机器,我们可以将这种机器植入身体之中来传递药物。


Geneva drive(来自维基百科)

这种奇怪的新型生物机器人来自哥伦比亚大学生物医学工程教授 Samuel Sia 的实验室。它既没有电池,也不使用电线,但是我们却能在身体之外控制它将药物送达指定位置。Sia 对 IEEE Spectrum 说,这种设备非常适合这个个性化医疗的新时代。他说:「医生希望了解病人的进展状况然后据此修改治疗方案。」他已经在患有骨癌(bone cancer)的小鼠身上对这种装置进行了测试,结果很激动人心,详情可参与他们发表在 Science Robotics 第二期的论文《Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices》。


这些研究者通过逐层构建的方式制造了他们的 Geneva drive,这个过程耗时大约 30 分钟

Sia 的团队首先发明了一种 3D 打印方法,可以让他们制造微型 Geneva drive 和一些其它的柔性材料。他们发明一种制造机,可以通过一层一层的水凝胶(hydrogel)来制造胶态的固体形状。尽管目前还需要人类来将那些零件组合起来,但 Sia 表示这个步骤可以实现自动化。这个过程也很快,一个槽轮机构的整个打印和组装过程只需不到 30 分钟。Sia 说,现在典型的 3D 打印机需要好几个小时才能打印出一个类似的设备,而且绝大多数还不能处理水凝胶这样的柔性材料。


接下来就是像钟表匠一样工作了!当有外部磁铁移动一个简单的齿轮(其本质上只是一个嵌入了铁纳米颗粒的胶件,即视频中黑色弯曲的部分)时,这种黏糊糊的 Geneva drive 会像钟表一样转动。其每一次滴答,其六个腔室中的一个就会和一个洞口对齐,一剂药物就会流出。视频中磁铁(银色盘)保持该设备连续运行是为了演示其机制,在实际医疗应用中,医生只会在需要药物时使用一个磁铁。

你可能会疑问:会不会某人植入的微型机器被怀有恶意的人用磁性激活呢?「带有一块磁铁的路人经过时不会激活它,但也会有一些并不完美的情形,」Sia 说。他的实验室正在研究其它无线驱动这一机制的方式,包括超声波技术。

Sia 说,这一设计中最艰难的是得到正确的材料。必须要是非常灵活柔软的材料,而且要与柔软的内脏兼容。「但是如果你的材料就像果冻一样容易破裂,也很难用它来做机器人。」他说,「它也要足够坚韧,才有希望造就微型植入式机器。」


Geneva drive 部件都打印在柔性水凝胶之中

下一步是在体内进行的。在解剖学与化学并发症的情况下,Sia 的团队想要看看他们的设备是否能够在体内工作。一些有骨癌的小鼠被移植了装载了化疗药品的设备,另一批小鼠接受典型的化疗,也就是让有毒药品流过全身。在两个团队比较两种方式的效果时,发现结果惊人。利用仿生学小鼠的肿瘤增长减缓,更多的肿瘤死去,而身体其他部位的细胞很少受到副作用的伤害。


实验室老鼠中药物传递设备的荧光图像展示

应用临床诊断的可能性似乎很明显,肿瘤学家能够提供更加靶向和集中剂量的强大化疗药物。Sia 还设想了其他用途,如调节激素的释放等。但该药物传递设备也只是概念性证明,他说。他并不急于组建创业公司,「我们需要做成本收益分析,看看它是否真是一个可商业化的设备。」

然而,他很是看好通用的小型软体机器人的医学潜力。柔软的、移动型小机器人某天可成为身体内部的修复团队,从身体里面完成医生的工作。Sia 说他的建造平台能够完成大量的设备,他说,「我非常自信我们能够找到有用的东西。」

Sia 没说他的实验室具体在做什么类型的设备,只是说他们正在查看能够移动的植入式设备。我的猜测是类似于杜鹃钟(cuckoo clock)的软体微型机器。

论文:Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices




水凝胶材料的增材制造,打印下一代可植入医疗设备

摘要:

可植入微型设备常常由固定组件组成,而没有活动部件,并且其生物相容性有限。这篇论文展示了一种快速制造方法,可以生产具有生物相容性的材料,其最小规模可达数十微米,每层都带有复杂合成纹路。通过充分利用水凝胶独特的力学特点,我们开发了一种「闭锁性机制(locking mechanism)」,用于自由活动组件的启动与运行,实现诸如阀门、集合管(manifolds)、转子(rotors)、泵以及载荷输送等功能。水凝胶部件能够在许多机械性、扩散性材质中转动,而且植入后,无需持续性动力供给就能加以控制。在一个患有骨肉瘤的小鼠案例中,我们证实,设备中的阿霉素在十天中逐渐释放,治疗效果相当高效且毒性低,仅为全身化疗标准剂量的十分之一。总的说来,这一平台,亦即可移植微机电系统(iMEMS) 能够研发出带有许多复杂活动部件、具有生物相容性的可移植微设备,可按需对其进行无线控制,有效解决了设备动力供应和生物相适性的问题。

原文网址:http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/squishy-clockwork-biobot-could-dose-you-with-drugs-from-the-inside

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