让精子飞 套上马达，让精子飞起来

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用微型机器人实现诊断和治疗还有许多问题需要解决。怎么开始？马里亚纳·梅迪纳-桑切斯和奥利弗·g·施密特这两只牛有以下策略:

科学家们正在设计微型设备、微型机器人和微型马达，以便在人体内执行医疗任务。将细胞大小的合成棒、管、螺旋体、球体或笼子送入血液、肝脏、胃或生殖器中进行诊断、药物输送或手术。到目前为止，大多数微型机器人实验都是在体外环境中进行的，这与在人体中的实验有很大不同。许多微型设备依赖有毒燃料，如过氧化氢。在培养皿中操作这些设备很容易，但在充满蛋白质和细胞等生物液体的复杂人体中很难操作。

为了进行真正意义上的临床试验，微型机器人必须克服两个主要障碍。首先，研究人员要有能力在人体内看到和控制这些微型机器人，但是现有成像技术的灵敏度和分辨率都不能满足这种需求。其次，这些微型机器人要与生物体相容，不能引起生物体的排斥反应，用完可以取出或处于稳定状态，不能影响人体的正常功能。要做到这两点，就要提高操控性和机动性，材料和性能。

我们呼吁微型机器人研究人员、材料科学家、生物成像和医学专家团结起来克服这些问题。监管机构需要发布相关指导原则，以规范基于微型机器人的治疗方法。

传说:一个螺旋微型马达被用来帮助健康的牛精子细胞接近培养的卵细胞并完成受精。

按照推进方式，微型电机可以分为三类(如下图所示)，分别是化学、物理、生物，各有利弊。

化学微电机将燃料能量转化为动能。一般来说，动能是由微量金属(如铂、银或钯)的催化剂与周围液体(通常是过氧化氢或其他有机成分)之间的催化反应产生的。这种电机很难控制。其中一些是通过在不对称管道的一端发射气泡来移动的，而另一些是由两种金属材料(通常是金和铂)制成的。不同的材料在张力、油耗或吸光度上有不同的表面，从而产生动能。导航可以通过这些微型发动机周围的化学或热梯度来实现，或者通过施加磁场、照明、超声波等来实现。

在体外，微型发动机可以使用有毒的燃料。例如，污染物可以作为燃料在水中燃烧，或者是芯片或生物传感器上的有毒化学物质。在人体内使用时，需要内部物质作为燃料，如葡萄糖、尿液等生理液体。例如，管状微电机可以通过锌在小鼠胃酸中的溶解来驱动。这些电机的公差和效率需要进一步提高。

物理微电机由各种场驱动。例如，由磁性材料制成的螺旋电机可以在旋转的外部磁场的作用下沿着其轴线连续旋转。这些装置更容易操作，只需改变外部磁场的方向和频率，就可以改变电机的方向和速度。这样的“磁力游动”装置模拟鞭毛运动，有些微生物是由鞭毛驱动的。超声波也可以用于驾驶和导航。这种微电机的推力比化学型小，需要复杂的舵机系统。可用于货物运输(如传感器、药物、基因治疗)、细胞灭活运输、显微手术、活检。

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传说:磁性材料制成的螺旋在旋转的外磁场作用下捕获不动的牛精子，然后驱使精子靠近牛卵细胞完成受精。

生物混合微电机是生物成分(如细菌、肌肉和精子细胞)和合成成分结合的产物。当它们移动时，会对生化物质、酸性或磁场产生感应和反应。例如，可以感知地球磁场的细菌已经被开发成潜在的血管内药物载体。这些混合的游泳者可以自然地穿过人体，通过组织将药物输送到更深处，进行受精。我们已经演示了如何使用载药的移动精子细胞结合磁性微结构在后者的指导下在生殖系统中释放精子药物复合物。该方法在治疗生殖系统癌症方面具有潜在价值。我们使用旋转磁铁驱动螺旋物理微型马达，并将活的但不动的牛精子转移到卵细胞中。这种“精子人”可以成为一种新的辅助生殖技术。男性不育的两个主要原因是精子数量少和生命力弱，约40%的不育是由此引起的。如果精子收集器能够捕获精子并引导其到达卵细胞，完成体内受精，那么受精的成功率将会提高，而且侵入性更小，胚胎可以在更自然的环境中发育。

实际应用中的挑战

如前所述，制造这三种微电机的材料必须是生物相容的(如高分子聚合物、金锌、蛋白质和DNA)或可生物降解的(如海藻酸盐、明胶和碳酸钙)；执行多种任务的能力:从对环境的感知和反应，到物理或特定分子、疾病标志物、温度、pH等可以刺激的分子或细胞的储存和运输；在三维空、粘弹性体液、模拟体模中机动性更强。瞄准要准。

在实际应用之前，我们首先要考虑如何将这些微小的车辆从体内取出或者停止它们的功能。你可以让他们回到他们来的地方，比如驱使他们顶嘴，眼睛，耳朵，韦吉纳，尤里。但是这个过程很慢，很费时间，尤其是体内有很多微型工具的时候。也可以像组织工程支架一样降解，随代谢产物自然吸收或排泄。生物可降解材料，如壳聚糖、聚乳酸、聚环己烯酮等，在一定的pH值、温度或时间内会发生降解。但仍有少数磁性物质、金属或氧化物，这些物质的降解过程和毒性需要研究清楚。稳定的仿生仪器可以植入体内监测器官的功能。

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传说:一台化学驱动的400纳米微型喷射马达，通过分解过氧化氢释放出氧气泡。

监管滞后于研究。虽然微电机离临床应用还很远，但一些微米级或纳米级的被动治疗已经被批准。比如用纳米银颗粒做抗菌绷带。也有将药物放入细胞、通过细胞机制修饰基因或输送药物等治疗方法。如果我们更多地了解它们的副作用，这些治疗将更加有针对性和个性化。

在美国，包括一些疫苗在内的活体生物产品受FDA监管，必须通过动物和人体试验。而微电机作为活体和人工合成的结合体，更难评价。微电机作为材料、微生物、微观结构和功能的结合体，其各个方面都需要在人体内共同测试。

未来前景

微器件的体内跟踪非常重要。目前的成像技术，如放射学、超声、红外、磁共振成像(MRI)等，对人体检测过于粗糙、不灵敏、缓慢，更不用说人体内的微电机了。放射学和核医学中使用的放射性同位素在高剂量或长时间暴露下可能是危险的。一般临床MRI的分辨率(最大磁场强度为3特斯拉)可以达到300微米，足以对血管成像。高强度磁场(10-12特斯拉)可以达到100微米的分辨率，但设备昂贵。MRI扫描需要几秒钟，加速扫描会降低分辨率。

需要新的成像方法。理想的成像方法可以对皮肤下10 cm处的微电机进行3D成像。该装置可以区分1微米和50微米，可以以每秒10微米左右的速度(细菌和精子的移动速度)移动来跟踪微电机。最好在几小时内保持毫秒精度。

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图例:磁性材料制成的气泡驱动微电机，在旋转磁场的作用下做圆周运动。

目前，成像研究人员正在研究如何将光波、声波和无线电波成像中影响成像质量的两大因素衍射和散射最小化。感光度和曝光时间主要受对比度影响。为了增强对比度，目标细胞和微型器件的化学部分可以在受到激发时变暗或发出荧光(如量子点技术)。此外，通过使用较小的反射器，可以增强超声波信号。

结合这些新技术的效果令人鼓舞。例如，克里斯蒂安·威斯特(Christian Wiest)和他的同事开发的多光谱光声断层成像技术将红外和超声波成像技术带到了一个新的高度。当激光脉冲照射组织时，组织会膨胀收缩，发出脉冲超声波，然后产生三维图像。这些图像具有空之间的高对比度和分辨率。只要控制好光和超声波的频率，就可以产生多种特定的模式。这种方法可以达到150微米的分辨率和2-3厘米的可探测深度。随着技术的不断进步，相信未来几年跟踪微型机器人就足够了。

尖端的超声波方法也在迅速改进。全息成像技术将光场编码成照片中的干涉图案，在微小物体的成像和控制方面有着光明的前景。我们的R&D团队正在研究微型机器人的方向和速度是否可以通过检测微型机器人反射、透射或发射的特定频率的红外光来确定。

这个领域的研究者要有所准备。在接下来的两年里，可能会有一个足够好的可视化系统来开始测试和跟踪活体动物的微型设备。微型机器人的研究人员需要建立操纵微型机器人的机制和方法。比如超声波和磁场可以引导蜜蜂飞到生化传感器的指定区域。我们的目标是微型机器人可以自主感知、诊断和行动，而人们可以监督和保持控制以防止故障。

本文由自然翻译而来，由译者基于创意共享协议(BY-NC)出版。