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近日，开元985棋牌最新官网（深圳）理工学院的俞江帆教授团队在《ACS Nano》发表题为“An Overview of Micronanoswarms for Biomedical Applications”的综述文章。ACS Nano是材料科学国际顶级期刊，以发表纳米科学各个方面的突破性研究为主，期刊以其优质内容和高影响力而著称。ACS Nano 2021年的影响因子为15.881，JCR分区Q1。

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1.文章要点

纳米机器人集群技术在生物医学领域中具有十分广阔的应用前景。成千上万甚至上百万的微小智能体的集体行为有利于推动临床治疗和诊断方法的发展。近年来，随着智能材料、远程驱动方式和自动控制方法的进步，纳米机器人集群的运动灵巧性、环境适应性和功能通用性得到了提高。研究表明，纳米机器人集群可以作为一种活体内的灵巧平台以执行医学相关任务。本文主要总结了近年来纳米机器人集群在生物医学应用方面的研究进展，也对该领域所面临的挑战和未来的发展趋势进行了讨论，旨在为推动其进一步发展提供参考。

文章中图1. 纳米机器人集群的四个研究方向示意图

2.综述内容

作者首先对近年来人工、活体和生物杂化型纳米机器人集群的结构设计研究进行了总结，并介绍了纳米机器人集群在靶向药物递送、热疗、成像和传感以及溶栓治疗方面的生物医学应用。

在纳米机器人集群结构设计方面，组成人工纳米机器人集群的主要单元之一是微纳米颗粒。在外部物理场驱动下，纳米颗粒之间相互作用并形成特定形态的纳米机器人集群。通过改变驱动场的参数，可以使纳米机器人集群具备变形，重构和运动能力，以满足任务需求。同时，体内含有磁小体的趋磁性微生物（如趋磁细菌），可组成活体纳米机器人集群。趋磁细菌可以对外加磁场做出响应，进行可控运动。生物杂化型纳米机器人集群主要由人工材料和自然微生物组成。由于该类型集群既具备生物的固有特性进行定向引导（如趋氧性、趋光性等），又同时可以通过改造人工材料的部分进行功能化作用（如载药、杀菌等），因此也得到了广泛研究，特别是由细菌和磁性材料组成的纳米机器人集群有望成为下一代自主靶向给药的平台。本文着重介绍了基于脂质和聚合物的纳米机器人集群、以及趋磁性微生物集群在小鼠体内的靶向药物递送。

文章中图2. 人工、活体和混合型纳米机器人集群。a-e: 人工纳米机器人集群。g，h：活体纳米机器人集群。i：混合纳米机器人集群。

文章中图3. 靶向药物递送。a-i：体外靶向药物递送。j-l：体内靶向药物递送。

纳米机器人集群在热疗法方面，作者着重介绍了光热疗和磁热疗的研究进展。在近红外光照射下，通过改变纳米机器人集群组成单元的形态可以提高光热疗效率，有效减少小鼠肿瘤体积。同时，基于体内环境刺激形成的纳米机器人集群也是一种有效的光热疗方法。通过修饰微纳米颗粒，使其获得酶或者pH敏感性，当纳米颗粒接触特定环境后，可以聚集成规模更大的集群，从而提高集群的滞留时间和治疗效率。在磁热疗方面，作者对提高纳米机器人集群在交变磁场下加热能力的因素进行了介绍，包括提高粒径、使形状规格和提高浓度等。同时，本文提到由于光热疗较低的穿透性以及磁热疗较大的浓度需求，光热疗和磁热疗的联合治疗近年来受到人们的关注，它们的协同效应展示出了更好的治疗效果。

文章中图4. 热疗。a1-a7：光热疗。b1-b6：磁热疗。b7：光磁联合热疗。

为了精确导航和操纵纳米机器人集群，需要实时观察它们的位置，这需要高效的成像方式。由于纳米机器人集群浓度高，相对于单个微纳米机器人，可以提供更好的成像对比度以增强成像效果。作者对纳米机器人集群的荧光成像、磁共振成像(MRI)、超声成像(US)和多模态成像进行了介绍和对比。同时，纳米机器人集群到达目标位置后，可以探测目标生物信号，如肿瘤生长，pH，氧浓度等，提供大量病理资料以协助医生及时调整治疗方案。

文章中图5. 成像和传感。a，b：荧光成像。c：磁共振成像。d：超声成像。e：多模态成像。f-h：肿瘤传感。i，j：pH传感。k：氧浓度传感。l：出血传感。m：血脑屏障传感。

在溶栓治疗方面，现行的溶栓药物具有半衰期短，潜在出血并发症，和过敏反应等副作用。通过将溶栓药物与纳米机器人集群结合，提高了药物的靶向率和局部药物浓度，并减少了副作用。本文也调研了在低强度聚焦超声下，纳米机器人集群的全氟己烷相变的溶栓能力，通过观察不同组的血栓重量的变化验证了该方法血栓溶解的有效性。但作者提到全氟己烷相变的生物安全性还有待研究，如可能造成组织损伤等。

文章中图6. 溶栓。a-c：溶栓药物溶栓。d-f：全氟己烷相变溶栓。

3.综述讨论

纳米机器人集群具有精准靶向定位运动、易功能化装载药物等能力，拓宽了纳米机器人集群的应用范围，可以完成多种复杂任务，如靶向药物递送、精确的局部热疗、实时成像传感以及血栓移除。应用环境条件也从实验室理想人工溶液环境扩展到复杂的体内环境。然而，纳米机器人集群在临床应用方面仍有局限性。纳米机器人集群的细胞毒性仍需要进一步降低，需进一步开发具有良好的生物可相容性、生物可降解性的新材料。需继续研发针对纳米机器人集群的可适应性控制策略、以及形态重构方法，进一步提高集群的靶向率。适用人体的外场驱动设备和深层组织成像技术也将在纳米机器人集群从实验室转化到临床应用的过程中发挥关键作用。通过不同领域的努力和密切合作，纳米机器人集群将被赋予无限潜力。

4. 作者简介

发表文章通讯作者为开元985棋牌最新官网（深圳）助理教授俞江帆

俞江帆教授是开元985棋牌最新官网（深圳）的助理教授，智能微纳米机器人实验室PI，AIRS微纳米机器人研究中心副主任（主持中心工作），中国微米纳米技术学会，微纳米机器人分会理事，IEEE/ASME会员，开元985棋牌最新官网（深圳）校长青年学者，2021 Forbes 30 under 30获得者。俞教授多年来始终从事微纳米机器人的结构设计、工作机理、驱动模式、控制系统搭建相关的研究，同时也开展了大量相关生物医疗问题的创新型研究。俞教授在国际顶级期刊和会议上共发表了包括Nature Communications，Science Robotics, International Journal of Robotics Research，IEEE Transactions on Robotics在内的30余篇学术论文。他的研究成果被Nature、Science、CNN等机构重点报道。

文章转自理工学院微信公众平台，链接为https://mp.weixin.qq.com/s/C3_mJE6KbOjg7T3Kg58vjQ