會上，2019 年 “35 歲以下科技創新 35 人” 獲得者哈爾濱工業大學教授吳志光發表了以《遊動微納機器人的醫療開發》為主題的演講，以下為經過整理後的演講實錄：

圖 | 哈爾濱工業大學教授吳志光

傳統的藥物遞送是被動擴散的，這種方式在病患區域內遞送效率低，而且毒副作用較高。有研究對最近 30 年以來的藥物遞送方式進行了統計，結果顯示，遞送約 12 個小時後，最高的遞送效率還不到 1%。因此，新型主動藥物遞送方式既必要又重要。

1966 年的電影《奇幻旅程》，講述了醫療工作者被縮小到微奈米尺寸，然後再被注射到一位科學家體內，直接游到病患區進行治療的故事。吳志光說：“人們一直幻想能不能做出主動的遊動奈米機器人，裝載藥物在人體內遊走，將藥物遞送給病患區域內。” 他對遊動微納機器人的研發便致力於此。

研發微納尺寸機器人首先要解決的是驅動問題，許多宏觀世界的驅動方法在微觀世界裡卻難以實現。吳志光在演講中打了個比方：“比如你躺在浴缸裡，感覺浴缸裡都是水。如果縮小成奈米尺度，你身邊就不是水，而是一種非常濃的糖漿，所以你無法打破時間對稱性，實現運動。”

科學家發現，自然界有很多微奈米尺度的東西可以實現遊動，比如分子馬達、生物馬達，還有細菌、精子等，它們透過在擺動過程中產生不對稱的區域流體場向前運動。基於這個原理，很多人開始提出了一系列遊動微奈米機器人，進行生物醫學研究。吳志光團隊應用化學方法，將原子組裝成微奈米的結構，在化學場或者外光、磁場下實現了可控的遊動，甚至可以引導它們遊動到目標細胞。

然而，這些微納機器人要應用到臨床醫療中還需要解決兩個重要問題。

首先，微納機器人需要能夠在複雜的人體環境中運動。“這裡面大致分為三類，第一是主動打破細胞膜，第二是讓它們在血液中進行運動，第三是在眼內玻璃體和胃腸道黏液等多孔生物流體中運動。” 吳志光解釋說。

這三類問題需要逐個解決。

首先是突破細胞膜的問題，細胞膜穿孔因其在細胞轉染、人工授精以及基因編輯等領域的巨大潛在應用成為了近年來生物技術的熱點研究問題。儘管常規的化學與物理方法可對大批次細胞膜穿孔，但是對於靶向單細胞的膜穿孔難以實現。針對這樣的問題，能夠在多種生物流體中進行可控運動的遊動奈米機器有望實現靶向目標細胞的膜穿孔。血液的影響主要有兩個方面：第一，絕大多數機器人進入人體後屬於外源物，免疫系統會進行排斥。吳志光團隊將微納機器人偽裝成天然細胞，從而躲避免疫系統的攻擊。第二，在逆血流遊動時，流速對微奈米機器人產生了較大影響。他們發現，自然界有很多動物和微生物在流體的環境下生存，為了更好地適應流動性的環境，它們選擇貼近基底運動。受此啟發，團隊研發了兩種可以沿著基底運動的遊動微奈米機器人。

多孔流體由生物大分子作為骨架，內部嵌入水和小分子，被稱為生物水凝膠，這種三維結構影響了藥物向病患區的遞送。吳志光團隊研發了一種尺寸比生物水凝膠孔徑更小的機器人，能夠實現在眼淚玻璃體中的穿梭。這種機器人表面有一個潤滑層的微奈米器，其頭部是一個螺旋形結構，可以控制運動方向和速度，實現了約 9 平方毫米的精準度。“這個精準度是目前常規的眼科藥物載體無法達到的水平。” 吳志光說。

另外一個問題就是流動微奈米機器人的成像和控制。吳志光解釋說：“奈米機器人的尺寸比較小，一般比常規的成像解析度低很多，而且和生物組織的對比度不足。” 他的團隊透過包裹機器人使尺寸達到成像解析度的水平。此外，透過動作分離方法提取出完全來自於遊動微奈米機器人的動作行為，可以將其與生物組織進行區分，以實現對它的實時成像與控制。

在解決這些重要問題取得突破後，吳志光團隊開展了許多科研轉化的嘗試，比如使用遊動微納機器人對腦部進行治療。

“我們目前已經實現從了簡單到複雜，從個體到群體，從體外到活體動物的研究，最終的理想是做成人體的外部免疫系統。” 他說，“但還有一些問題要解決，例如高時空的解析度成像、體內更有效的遊動等。希望經過我們的努力，可以給人類健康做出自己的貢獻。”