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用猪皮和磁铁制作“毛毛虫”机器人,可携带药物精准送入人体

日期:2022-10-18 来源:机器人大讲堂 评论:0
标签: 机器人 药物 输送
  猪皮做的微型 机器人长出了毛毛虫的脚,在人体内运送药物,48h内可完全降解。
  这是香港城市大学的最新研究成果——一个具有多腿结构的铁磁水凝胶微型机器人milli-robot。
  三年前的《自然通讯》中,milli-robot就曾进入大家的视线,它的身长不足2厘米,扁平的身体下布满了细小的尖头状的脚,外形酷似毛毛虫,不仅运动灵活,还具有极强的地形适应能力,可以在器官内壁或在完全被液体淹没的情况下自如行动。
  同时,它能够承载比自身重100倍的载荷,这种强度可与蚂蚁相媲美,具有相当于一个人举起26座小巴士的力量!
  最近,milli-robot再度进化,研究团队为其更换了新的“身体”,可以在进入人体后的48小时内完全生物降解,为药物输送和其他生物医学 应用开辟新的可能性。
  ▍水凝胶&磁颗粒,可随意更改腿部结构
  一些软体微型机器人已经被开发用于各种生物医学应用,它们独特的结构使其能够在胃肠道凹凸不平的组织中移动;有朝一日,它们甚至可以涂上药物溶液,并将药物准确地输送到身体需要的地方。
  然而,大多数微型机器人是由不可降解的材料制成的,例如硅胶,这意味着如果在临床应用中使用它们必须通过手术切除。此外,这些材料不是那么灵活,并且不允许对机器人的特性进行太多微调,从而限制了它们的适应性。
  为了解决以上问题,研究人员选择猪皮的生物相容性明胶和铁(II,III)氧化微粒,形成磁性水凝胶来制作机器人,不仅可以实现生物降解,这种水凝胶可以很容易地拉伸到原始长度的200%,其中充足且自对准的磁性微粒还能在磁场输入下快速响应。
  将磁性水凝胶放在永磁体上方可以让溶液中的微粒将凝胶向外推,沿着磁场线形成昆虫状的“脚”,磁铁放置的不同位置可以改变腿的形状,比如放远一点,机器人的脚会更少更长。
  通过氧化铁微粒在凝胶内形成磁链,这些小脚可以沿磁场方向进行磁化,并能在施加外加磁场时产生磁力矩从而控制其弯曲,产生爪状抓握动作。
  最后一步是将材料浸泡在硫酸铵中以引起水凝胶中的交联,使其更加坚固。改变各种因素,例如硫酸铵溶液的成分、凝胶的厚度或磁场的强度,研究人员可以调整机器人的特性。
  ▍多种形式携带药物,48小时内完全降解
  为了试验机器人未来在人体中的应用,科研人员制作了一个胃部模型,让机器人携带药物进入胃部。它可以以多种形式携带药物,比如用柔软的脚“抓”住一个胶囊,工作步骤大概分几步:夹持、滚动、打开、翻转和释放。
  机器人在夹持运动中保持完全包裹的状态,可由磁铁绕z轴逆时针旋转驱动;当磁铁向前旋转时,机器人开始滚动起来;接下来,磁铁沿着y轴向下移动,并逐渐张开身体,恢复到初始状态,通过操作磁铁绕x轴顺时针旋转,机器人就会被翻转,为卸货做准备。此时地面上的机器人由其双腿支撑,可以通过类似夹持的动作执行货物释放。
  除了固体药物外,机器人还可以通过三维(3D)交联聚合物网络携带药物,简单来说,就是把“脚尖”浸入药物中,然后在进入人体后,可将药物溶于体内。
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  在胃模型中,通过夹持运动,腿在滚动过程中不会接触胃壁,药物也不会被释放。达靶区后,腿部通过翻转运动与水接触,药物通过自由扩散释放到水中;2h后,机器人开始明显降解,在12 h内几乎分离成小块;48小时后,已经看不到机器人的结构,只剩余少量的磁性微粒。
  这篇文章发表在《ACS Applied Polymer Materials》(ACS应用高分子材料)期刊上,文章标题为“Soft Tunable Gelatin Robot with Insect-like Claw for Grasping,Transportation,and Delivery”。
  研究人员表示,“极强的携带能力,高效的运动和良好的越障能力,使这款毫机器人非常适合在恶劣环境中使用,例如通过消化系统将药物输送到指定地点,或进行医疗检查,并且它完全可生物降解,可以为药物输送等生物医学应用提供新的可能性。”
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