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微型机械──穿梭体内的外科医生

张立教授
Sangwon Kim, Famin Qiu, Samhwan Kim, Ali Ghanbari, Cheil Moon, Li Zhang, Bradley J. Nelson, Hongsoo Choi: Magnetic Microrobots: Fabrication and Characterization of Magnetic Microrobots for Three-Dimensional Cell Culture and Targeted Transportation. Advanced Materials 2013, 41, page 5829. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission

美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖得奖人理查德‧费曼(Richard Feynman)在1959年的著名演讲「底下还有广大空间」中,预言将来会发展出微型机械,沿人体血管游走到心脏检查,并形容这犹如「将外科医生吞下去」,这篇前瞻性的演说,可谓开拓了纳米技术这个新的研究领域。

天马行空的意念,经过近四十年的研究和试验,竟逐步实现。应用类似概念的胶囊式内视镜约于2000年面世,主要用作拍摄小肠内壁情况,但它要靠小肠蠕动来推进,而控制胶囊移动途径的技术仍未发展成熟。

机械与自动化工程学系张立教授与韩国大邱庆北科学技术院及瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员合作,最近成功研发一款以磁力操控的微型机械装置,可穿梭于人体内,预计将来可精准传送干细胞及药物至人体的特定部位作靶向治疗,以及协助细胞组织再生,使无线操控微型医疗机械的发展迈进了重要的一步。研究结果刊登于国际知名学术期刊《先进材料》11月6日号的封面。

微型机械的发展涉及机械电子学、材料科学、生物科学、控制及自动化等多种前沿学科的知识。由于装置体积太小,长度只有一百微米左右,厚约四十微米,即约一条发丝的半径,要在其上装设马达等机电零件,驱动它在人体血管或液体中前行,近乎不可能。研究人员发现以磁场控制这种无线驱动模式是可行方法,所以在设置涂上镍。而为了确保体内应用的生物稳定相容性,涂层也加进了钛。

然而,可以如何在体液中前进,张教授参考了微生物的移动方式和各种可变因数,包括流体的黏性和速度、机械的形状和体积,再考虑磁场强度会随着与机械距离渐远而急速减弱这限制,经过多方实验及复杂运算,得出以螺旋式的模式前进,是机械在活体内最佳的推进方式之一。

机械装置的形状设计亦经过不断改良,过往此类微型机械多是螺旋型,盛药量有限,在最新发表的研究中,张教授与合作者建构了一个三维的光聚合高分子多孔微型支架,孔隙大小形状可因应不同的医疗目的所需的药量而控制。他说新设计突破了原有微型机械载药量不足的限制,他形容:「我希望可设计一辆货车,而非只是私家车。」此外,三维结构相较平面的二维结构,更接近活体环境,在微型支架上培殖细胞,可保存所培殖细胞结构和功能上的复杂性。

新的微型机械在微创医疗方面有极大的应用潜力,有望应用于治疗癌症、脑梗中风和视网膜退化。张教授表示,如开脑手术或眼部手术,病人要面对开刀风险,使用微型机械便可直接治疗或修复坏死细胞,减少入侵性医疗方式所引发的副作用。

张教授坦言,现时研究只属起步阶段,还要在动物及人体测验其功效,预计至少要十年始能应用。张教授一直专注研究微纳米机械的运动方式及动力学特性,现时与中大的研究团队致力从微型机械的结构设计及材料特性,改善其智能及性能。他的研究结果曾多次登于著名期刊,如《晶片实验室》、《先进材料》和《今日材料》。

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