DeepTech：2022全球醫(yī)療微納機器人技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景研究報告

205Chapter105歷經(jīng)三十年，開拓微納米尺度醫(yī)療操作新時代——定義微納機器人及其技術(shù)溯源微納機器人分類技術(shù)溯源發(fā)展階段代表性科研成果18Chapter18微納機器人六大技術(shù)環(huán)節(jié)動定位反饋集群化控制功能化34Chapter334微納機器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸與前景微納機器人在醫(yī)療領(lǐng)域的具體應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化階段技術(shù)瓶頸商業(yè)化挑戰(zhàn)3。。和雜4微納技術(shù)的研究主要包括:?納米技術(shù)：包括納米電子、納米物理、納米材料與器件、納米能源、納米催化、納米化學(xué)、納米生物等;?微納加工技術(shù)：包括電子束光刻、紫外光刻、原子層沉積、納米壓印、激光直寫、掃描探針直寫、封裝工藝開發(fā)、微納3D打印技術(shù)等；?微機電系統(tǒng)(MEMS)：包括光刻、刻蝕、鍍膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工?微流控技術(shù)：使用微管道(尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)處理或操縱微小流體(體積為納升到阿升)的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室 (LabonaChip)和微全分析系統(tǒng)(micro-TotalAnalyticalSystem)。5Chapter1分類6微納機器人(Micro/Nanorobot)泛指在微納米尺度的小型機器人，分為微型機器人 (Microbot/Microrobot)和納米機器人(Nanorobot)。關(guān)于微/納機器人的具體尺因此又稱為微納機器(Micro/Nanomachine)、微納馬達(dá)(Micro/Nanomotor)等。7器人的身影。然而,在某些特定情況,如體內(nèi)介入診斷和治療,宏觀機器人往往由于尺寸具四十年來,微納機器人已發(fā)展為一個新的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，是微納生物學(xué)中最具有吸80如圖所示，關(guān)于微納機器人技術(shù)的研究從1966年左右起步，中間零星有一些研究成果，09目前微納機器人的研究處于從“生物化”和“分子化”全球(醫(yī)療)微納機器人領(lǐng)域代表性科研成果?1982年，IBM蘇黎世的實驗室G.Binnig和H.Rohrerr領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊成功研制掃描隧道顯微鏡——研究納米技術(shù)的重要工具，極大的促進(jìn)了表面科學(xué)以及納米科學(xué)的發(fā)展，二人憑此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。。?2022年4月，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，在飛秒激光微納加工領(lǐng)域及生物學(xué)應(yīng)用取得新進(jìn)展，構(gòu)建了雙波長飛秒激光加工系統(tǒng)，可實現(xiàn)大范圍、三維高精度微納加工。針對細(xì)胞行為學(xué)和細(xì)胞團(tuán)簇捕獲的研究需求，提出了單脈沖飛秒激光雙光子聚合方法，結(jié)合毛細(xì)力自組裝原理，制備了三維微圖案化微結(jié)構(gòu)陣列，實現(xiàn)了MCF-7細(xì)胞的選擇性生長調(diào)控。全球(醫(yī)療)微納機器人領(lǐng)域代表性科研成果得研究人員制備出一種在凝膠中(透明s全球(醫(yī)療)微納機器人領(lǐng)域代表性科研成果00納米)，首次實現(xiàn)納米機器人在眼睛玻璃體中可控、高?2018年4月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張廣玉、李隆球教授和美國加州大學(xué)圣地亞哥分校g于聯(lián)邦理工學(xué)院助理教授SimoneSchuerle團(tuán)隊送穿透深度是無運動能力粒子的3倍左右；該納米機器?2020年3月，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院/轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院周民研究員團(tuán)隊研制出全球(醫(yī)療)微納機器人領(lǐng)域代表性科研成果??2020年8月，香港科技大學(xué)唐本忠院士和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡林濤、張鵬飛、龔萍團(tuán)隊采用自然殺傷(NK)細(xì)胞膜包裹具有近紅外二區(qū)熒光性質(zhì)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)?2016年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院SelmanSakar與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Hen-son?2018年1月，11名來自不同國家的學(xué)者合作利用納米級3D打印來制作螺旋形機器人，并在其中添加了光滑的涂層和磁性材料，進(jìn)而使用磁場將微型機器人推進(jìn)眼睛；研究其在不到30分鐘內(nèi)成功到達(dá)視網(wǎng)膜，比相似大小的顆粒通過眼睛的速度快10倍。工學(xué)院WeiGao團(tuán)隊(吳志光為第一作者)提出了一種光聲計算機斷層掃描技術(shù)(PACT)引導(dǎo)下的體內(nèi)腸道中的微型電機。包裹在微膠囊中的微電全球(醫(yī)療)微納機器人領(lǐng)域代表性科研成果空心載體的三維磁控細(xì)胞機器人系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由磁操作平臺和磁化微/納米機器人兩部TheTheInternationalJournalofRoboticsResearch?AnnualReviewofControlusSystemso?Small?ScienceAdvances?RoboticsystemsJean-PierreSauvageBernardL.Feringa德國馬克斯ieber人實驗室劉松?哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)材料科學(xué)與工程學(xué)院王威、馬星8876664D3333Chapter2觀型機器，動運動控制的靶向藥物遞送方向。定可的形變性質(zhì)通常可與真實的此使其更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。主動軟體材料制成的軟體機器人可以在導(dǎo)航時遇到體材料整合到設(shè)計中，而且通過自身結(jié)構(gòu)(例如彈簧質(zhì)量系統(tǒng))或預(yù)設(shè)的鉸鏈(例如具有多個軟接頭的分段式微/納米結(jié)構(gòu))在受到外部刺激 磁性納米機器人，在液體中可以執(zhí)行“自由泳”游泳。這兩種?Janus材料在沒有氣泡釋放的自驅(qū)動微納機器人中，通常使用具有不對稱結(jié)構(gòu)的Janus材料。只體的尺寸縮小至微納尺度,便產(chǎn)生了微納尺度的具有類似形態(tài)或相應(yīng)功能的機器人，例器人,這些機器人由軟體材料組成,可實現(xiàn)外形的重構(gòu),在低雷諾數(shù)的介質(zhì)中表現(xiàn)出理想仿生的方式往往難以完全復(fù)現(xiàn)出原本生物體的結(jié)構(gòu)和功能特性,而通過將生物體功能元由兩部分組成:作為驅(qū)動器的活體生物和用于支撐的支架,其中電沉積技術(shù)指金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中電化學(xué)沉積的過程。步驟簡單，不需要昂貴的設(shè)備和嚴(yán)格的實驗環(huán)境。膜模板具有大量的、厚度均勻的單分散微孔結(jié)構(gòu)，每個微孔都可作為反應(yīng)容器，能夠?qū)崿F(xiàn)大批量微納米機器人的沉。管狀或棒狀的微納機器人物理氣相沉積技術(shù)指在真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。兩種常見的物理氣相沉積工藝是濺射和離子直接合成Janus結(jié)構(gòu)及螺旋結(jié)構(gòu)的微納機器人的重要方法自卷曲技術(shù)利用不同材料的應(yīng)變差異，在多層材料沉積的過程中預(yù)設(shè)不同的應(yīng)力，然后通過腐蝕掉基底犧牲層的方式將應(yīng)力釋放，使二維平面內(nèi)的多層膜結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力作用下自發(fā)卷曲形成三維管狀或螺旋狀結(jié)構(gòu)。管狀微機器人自組裝/可控組裝技術(shù)在無序環(huán)境中組分自發(fā)重組成有序結(jié)構(gòu)或者圖案的過程。是通過非共價鍵結(jié)合的可逆過程。自組裝不限制組分的構(gòu)成，分子、納米材料、微米或更大尺度的物質(zhì)均可自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)。步驟簡易，成本低廉，而且能夠結(jié)合各種各樣的材料，比如小的有機分子、無機組分、大分子和膠體等。管狀微機器人3D激光打印技術(shù)通過雙光子聚合的方式，可以設(shè)計創(chuàng)建幾乎任意3D微納米結(jié)構(gòu)，可用于精確批量制造具有髙分辨率的微納米機器人。螺旋狀可降解微型機器人合成生物學(xué)技術(shù)自然界中存在著各種各樣天然的小尺寸馬達(dá)，小到如DNA分子、ATP合酶，仿生生物源納米材料如細(xì)胞膜納米顆粒、外泌體、細(xì)菌外膜囊泡、病毒樣顆粒和細(xì)菌生物被膜等，大到細(xì)胞如中性粒細(xì)胞、大腸桿菌、精子等，均能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能，成為制造微納機器人的材料。將能運動的生物體與人工合成材料相結(jié)合，制造生物混合型微納機器人。生物混合型微納機器人，DNA人、細(xì)菌機器人、精子機器人等ADC能模塊是與抗體偶聯(lián)的小分子藥物；精準(zhǔn)控制，達(dá)到“指哪打哪”。和螺效位移。“扇貝理論”目前仍然具有十分重要的地位。機器人均屬于化學(xué)動力/自驅(qū)動微納機器人。外場驅(qū)動的微型機器人由外部磁場/電場/于工細(xì)菌鞭毛以及螺旋微納機器人是兩種種典型的電磁微納機納型/納米物體的噴射，這可能有利于對組織的兩種一未?單個微納機器人的運載能力有限，集群運動和對微型機器人的控制有望用于輸?由于積累效應(yīng)，集群模式作為一個整體可以提供比單個試劑在微米或納米尺度動控制通器為。通過光誘導(dǎo)也實現(xiàn)了由聚合物微球組成的一側(cè)具有反鐵磁赤鐵礦立方體的Janus顆體，他提出了對Janus顆粒的膠體懸浮液的遠(yuǎn)物理包裹?物理包裹?使用靜電或共價相互作用，將藥物、聚合物、蛋白質(zhì)錨定在微納機器人上。?由環(huán)境變化(pH或溫度變化)引起化學(xué)自主釋放。器透視成像(FI)放射性核素成像(RI)計算機斷層掃描(CT)超聲成像(US)磁共振成像(MRI)正電子發(fā)射斷層掃描(PET)單光子發(fā)射計算機斷層掃描(SPECT)功能化環(huán)節(jié)：使微納機器人執(zhí)行導(dǎo)航以外其它額外任務(wù)物這種化學(xué)方式，還可以通過細(xì)識?直接包裹在它們的表面上，嵌入到可響應(yīng)指令的智能材料中。?由外場(近紅外、超聲場)等指令引起物理觸發(fā)釋放。化化學(xué)鍵合在磁場顆 Chapter3微納機器人在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸與前景?產(chǎn)業(yè)化階段?技術(shù)瓶頸?商業(yè)化挑戰(zhàn) 技術(shù)實現(xiàn)的難易程度技術(shù)成熟度曲線(對應(yīng)左圖)低高模量。 場景具體實現(xiàn)功能靶向遞送藥品小分子/大分子藥物、抗生素等生物制品蛋白質(zhì)、生長因子、用于溶栓的組織纖溶酶原、病毒疫苗等活細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)、細(xì)胞移植、輔助受精：將細(xì)胞直接輸送到目標(biāo)組織或干細(xì)胞生態(tài)位，可以提高它們的保留率和存活率無機療法外部驅(qū)動的響應(yīng)材料(如外部磁場誘發(fā)的熱療法)、金屬離子等顯微外科手術(shù)活檢/取樣能夠響應(yīng)環(huán)境刺激以關(guān)閉并捕獲組織的星形抓手，可以進(jìn)行收集紅細(xì)胞、病原體，切除組織等操作組織穿透微型機器人鉆孔器可以深入各種器官內(nèi)部；帶有尖端的管狀微型鉆頭可用于微型手術(shù)細(xì)胞內(nèi)操作超聲驅(qū)動的微型機器人已經(jīng)具備了進(jìn)入單個活細(xì)胞內(nèi)部的能力，并被用于向細(xì)胞內(nèi)遞送遺傳物質(zhì)。磁控微納機器人也可在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，具有亞細(xì)胞手術(shù)的潛力生物膜降解機械分解和催化分解兩種原理：磁性旋轉(zhuǎn)納米線用于機械分解煙曲霉生物膜，進(jìn)行抗菌治療；催化抗菌機器人被應(yīng)用于降解和破壞不同模型的生物膜血栓消融生物膜降解的機器人可以擴展應(yīng)用范圍，用機械或者催化的方式，去除血栓內(nèi)部止血/傷口愈合針對手術(shù)創(chuàng)傷，微納機器人可以自組織并形成一個平面，類似于創(chuàng)可貼，貼在傷口上，促進(jìn)傷口愈合診斷生物傳感器可檢測pH等各種生物標(biāo)志物；寡核苷酸探針功能化的微型機器人，可根據(jù)熒光的變化檢測目標(biāo)DNA或RNA的互補核酸鏈；基于運動免疫分析檢測寨卡病毒等分離生物靶標(biāo)用生物受體伴刀豆球蛋白(conA)功能化的納米機器人被用作實時分離大腸桿菌的工具；抗ProtA抗體功能化微型機器人的類似方法能夠分離金黃色葡萄球菌，具有良好的選擇性物理傳感器螺旋磁性納米機器人可以測量轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞內(nèi)的粘度和粘附力；壓電微型機器人作為無線探針，用于感受神經(jīng)刺激和利用外部超聲場產(chǎn)生的壓電效應(yīng)對單個細(xì)胞進(jìn)行分化刺激學(xué)成像光學(xué)成像無創(chuàng)熒光成像可以幫助實現(xiàn)微型機器人的高分辨率量化和定位，深入到微/納米尺度結(jié)構(gòu)；近紅外探針功能化的磁驅(qū)動螺旋機器人群在小鼠腹腔內(nèi)使用全身熒光成像進(jìn)行監(jiān)測；涂有超順磁性磁鐵礦納米顆粒的螺旋微藻及愛人被用于跟蹤使用基于熒光的體內(nèi)成像超聲成像光聲成像系統(tǒng)具有超聲的分辨率和穿透深度，同時結(jié)合了光學(xué)方法的特異性磁成像與光學(xué)成像相比，磁成像具有更高的分辨率和穿透深度。此外，它還減少了X射線成像的電離輻射的不良副作用放射性核素成像質(zhì)子發(fā)射斷層掃描(PET)基于發(fā)射可分解放射性核素的正電子，從而產(chǎn)生掃描儀可檢測、用于繪制研究區(qū)域的伽馬射線于。人內(nèi)研究的熱點。等精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展為納米機器人產(chǎn)業(yè)化提供強大動力：精準(zhǔn)醫(yī)療可以通過更精確的診斷，內(nèi)的微納機器人最終如何回收？能否通過生物降解/腎臟排出體外？會不會對人所層。納導(dǎo)技術(shù)說明微創(chuàng)手術(shù)內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人，以腹腔鏡為代表的內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人已經(jīng)得到了廣泛的臨床應(yīng)用，主要用于完成心臟外