DeepTech：2022全球医疗微纳机器人技术现状及产业发展前景研究报告

205Chapter105历经三十年，开拓微纳米尺度医疗操作新时代——定义微纳机器人及其技术溯源微纳机器人分类技术溯源发展阶段代表性科研成果18Chapter18微纳机器人六大技术环节动定位反馈集群化控制功能化34Chapter334微纳机器人在医疗领域应用的技术瓶颈与前景微纳机器人在医疗领域的具体应用产业化阶段技术瓶颈商业化挑战3。。和杂4微纳技术的研究主要包括:•纳米技术：包括纳米电子、纳米物理、纳米材料与器件、纳米能源、纳米催化、纳米化学、纳米生物等;•微纳加工技术：包括电子束光刻、紫外光刻、原子层沉积、纳米压印、激光直写、扫描探针直写、封装工艺开发、微纳3D打印技术等；•微机电系统(MEMS)：包括光刻、刻蚀、镀膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工•微流控技术：使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统所涉及的科学和技术，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室 (LabonaChip)和微全分析系统(micro-TotalAnalyticalSystem)。5Chapter1分类6微纳机器人(Micro/Nanorobot)泛指在微纳米尺度的小型机器人，分为微型机器人 (Microbot/Microrobot)和纳米机器人(Nanorobot)。关于微/纳机器人的具体尺因此又称为微纳机器(Micro/Nanomachine)、微纳马达(Micro/Nanomotor)等。7器人的身影。然而,在某些特定情况,如体内介入诊断和治疗,宏观机器人往往由于尺寸具四十年来,微纳机器人已发展为一个新的前沿热点研究领域，是微纳生物学中最具有吸80如图所示，关于微纳机器人技术的研究从1966年左右起步，中间零星有一些研究成果，09目前微纳机器人的研究处于从“生物化”和“分子化”全球(医疗)微纳机器人领域代表性科研成果•1982年，IBM苏黎世的实验室G.Binnig和H.Rohrerr领导的研究团队成功研制扫描隧道显微镜——研究纳米技术的重要工具，极大的促进了表面科学以及纳米科学的发展，二人凭此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。。•2022年4月，中国科学院沈阳自动化研究所，在飞秒激光微纳加工领域及生物学应用取得新进展，构建了双波长飞秒激光加工系统，可实现大范围、三维高精度微纳加工。针对细胞行为学和细胞团簇捕获的研究需求，提出了单脉冲飞秒激光双光子聚合方法，结合毛细力自组装原理，制备了三维微图案化微结构阵列，实现了MCF-7细胞的选择性生长调控。全球(医疗)微纳机器人领域代表性科研成果得研究人员制备出一种在凝胶中(透明s全球(医疗)微纳机器人领域代表性科研成果00纳米)，首次实现纳米机器人在眼睛玻璃体中可控、高•2018年4月，哈尔滨工业大学张广玉、李隆球教授和美国加州大学圣地亚哥分校g于联邦理工学院助理教授SimoneSchuerle团队送穿透深度是无运动能力粒子的3倍左右；该纳米机器•2020年3月，浙江大学医学院附属第二医院/转化医学研究院周民研究员团队研制出全球(医疗)微纳机器人领域代表性科研成果••2020年8月，香港科技大学唐本忠院士和深圳先进技术研究院蔡林涛、张鹏飞、龚萍团队采用自然杀伤(NK)细胞膜包裹具有近红外二区荧光性质的聚集诱导发光(AIE)•2016年7月，瑞士洛桑联邦理工学院SelmanSakar与苏黎世联邦理工学院的Hen-son•2018年1月，11名来自不同国家的学者合作利用纳米级3D打印来制作螺旋形机器人，并在其中添加了光滑的涂层和磁性材料，进而使用磁场将微型机器人推进眼睛；研究其在不到30分钟内成功到达视网膜，比相似大小的颗粒通过眼睛的速度快10倍。工学院WeiGao团队(吴志光为第一作者)提出了一种光声计算机断层扫描技术(PACT)引导下的体内肠道中的微型电机。包裹在微胶囊中的微电全球(医疗)微纳机器人领域代表性科研成果空心载体的三维磁控细胞机器人系统。这套系统由磁操作平台和磁化微/纳米机器人两部TheTheInternationalJournalofRoboticsResearch•AnnualReviewofControlusSystemso•Small•ScienceAdvances•RoboticsystemsJean-PierreSauvageBernardL.Feringa德国马克斯ieber人实验室刘松•哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院王威、马星8876664D3333Chapter2观型机器，动运动控制的靶向药物递送方向。定可的形变性质通常可与真实的此使其更适合生物医学应用。主动软体材料制成的软体机器人可以在导航时遇到体材料整合到设计中，而且通过自身结构(例如弹簧质量系统)或预设的铰链(例如具有多个软接头的分段式微/纳米结构)在受到外部刺激 磁性纳米机器人，在液体中可以执行“自由泳”游泳。这两种•Janus材料在没有气泡释放的自驱动微纳机器人中，通常使用具有不对称结构的Janus材料。只体的尺寸缩小至微纳尺度,便产生了微纳尺度的具有类似形态或相应功能的机器人，例器人,这些机器人由软体材料组成,可实现外形的重构,在低雷诺数的介质中表现出理想仿生的方式往往难以完全复现出原本生物体的结构和功能特性,而通过将生物体功能元由两部分组成:作为驱动器的活体生物和用于支撑的支架,其中电沉积技术指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程。步骤简单，不需要昂贵的设备和严格的实验环境。膜模板具有大量的、厚度均匀的单分散微孔结构，每个微孔都可作为反应容器，能够实现大批量微纳米机器人的沉。管状或棒状的微纳机器人物理气相沉积技术指在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。两种常见的物理气相沉积工艺是溅射和离子直接合成Janus结构及螺旋结构的微纳机器人的重要方法自卷曲技术利用不同材料的应变差异，在多层材料沉积的过程中预设不同的应力，然后通过腐蚀掉基底牺牲层的方式将应力释放，使二维平面内的多层膜结构，在应力作用下自发卷曲形成三维管状或螺旋状结构。管状微机器人自组装/可控组装技术在无序环境中组分自发重组成有序结构或者图案的过程。是通过非共价键结合的可逆过程。自组装不限制组分的构成，分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质均可自发形成有序结构。步骤简易，成本低廉，而且能够结合各种各样的材料，比如小的有机分子、无机组分、大分子和胶体等。管状微机器人3D激光打印技术通过双光子聚合的方式，可以设计创建几乎任意3D微纳米结构，可用于精确批量制造具有髙分辨率的微纳米机器人。螺旋状可降解微型机器人合成生物学技术自然界中存在着各种各样天然的小尺寸马达，小到如DNA分子、ATP合酶，仿生生物源纳米材料如细胞膜纳米颗粒、外泌体、细菌外膜囊泡、病毒样颗粒和细菌生物被膜等，大到细胞如中性粒细胞、大肠杆菌、精子等，均能将化学能转化为动能，成为制造微纳机器人的材料。将能运动的生物体与人工合成材料相结合，制造生物混合型微纳机器人。生物混合型微纳机器人，DNA人、细菌机器人、精子机器人等ADC能模块是与抗体偶联的小分子药物；精准控制，达到“指哪打哪”。和螺效位移。“扇贝理论”目前仍然具有十分重要的地位。机器人均属于化学动力/自驱动微纳机器人。外场驱动的微型机器人由外部磁场/电场/于工细菌鞭毛以及螺旋微纳机器人是两种种典型的电磁微纳机纳型/纳米物体的喷射，这可能有利于对组织的两种一未•单个微纳机器人的运载能力有限，集群运动和对微型机器人的控制有望用于输•由于积累效应，集群模式作为一个整体可以提供比单个试剂在微米或纳米尺度动控制通器为。通过光诱导也实现了由聚合物微球组成的一侧具有反铁磁赤铁矿立方体的Janus颗体，他提出了对Janus颗粒的胶体悬浮液的远物理包裹•物理包裹•使用静电或共价相互作用，将药物、聚合物、蛋白质锚定在微纳机器人上。•由环境变化(pH或温度变化)引起化学自主释放。器透视成像(FI)放射性核素成像(RI)计算机断层扫描(CT)超声成像(US)磁共振成像(MRI)正电子发射断层扫描(PET)单光子发射计算机断层扫描(SPECT)功能化环节：使微纳机器人执行导航以外其它额外任务物这种化学方式，还可以通过细识•直接包裹在它们的表面上，嵌入到可响应指令的智能材料中。•由外场(近红外、超声场)等指令引起物理触发释放。化化学键合在磁场颗 Chapter3微纳机器人在医疗领域应用的技术瓶颈与前景•产业化阶段•技术瓶颈•商业化挑战 技术实现的难易程度技术成熟度曲线(对应左图)低高模量。 场景具体实现功能靶向递送药品小分子/大分子药物、抗生素等生物制品蛋白质、生长因子、用于溶栓的组织纤溶酶原、病毒疫苗等活细胞再生医学、细胞移植、辅助受精：将细胞直接输送到目标组织或干细胞生态位，可以提高它们的保留率和存活率无机疗法外部驱动的响应材料(如外部磁场诱发的热疗法)、金属离子等显微外科手术活检/取样能够响应环境刺激以关闭并捕获组织的星形抓手，可以进行收集红细胞、病原体，切除组织等操作组织穿透微型机器人钻孔器可以深入各种器官内部；带有尖端的管状微型钻头可用于微型手术细胞内操作超声驱动的微型机器人已经具备了进入单个活细胞内部的能力，并被用于向细胞内递送遗传物质。磁控微纳机器人也可在细胞内进行精准控制，具有亚细胞手术的潜力生物膜降解机械分解和催化分解两种原理：磁性旋转纳米线用于机械分解烟曲霉生物膜，进行抗菌治疗；催化抗菌机器人被应用于降解和破坏不同模型的生物膜血栓消融生物膜降解的机器人可以扩展应用范围，用机械或者催化的方式，去除血栓内部止血/伤口愈合针对手术创伤，微纳机器人可以自组织并形成一个平面，类似于创可贴，贴在伤口上，促进伤口愈合诊断生物传感器可检测pH等各种生物标志物；寡核苷酸探针功能化的微型机器人，可根据荧光的变化检测目标DNA或RNA的互补核酸链；基于运动免疫分析检测寨卡病毒等分离生物靶标用生物受体伴刀豆球蛋白(conA)功能化的纳米机器人被用作实时分离大肠杆菌的工具；抗ProtA抗体功能化微型机器人的类似方法能够分离金黄色葡萄球菌，具有良好的选择性物理传感器螺旋磁性纳米机器人可以测量转移性癌细胞内的粘度和粘附力；压电微型机器人作为无线探针，用于感受神经刺激和利用外部超声场产生的压电效应对单个细胞进行分化刺激学成像光学成像无创荧光成像可以帮助实现微型机器人的高分辨率量化和定位，深入到微/纳米尺度结构；近红外探针功能化的磁驱动螺旋机器人群在小鼠腹腔内使用全身荧光成像进行监测；涂有超顺磁性磁铁矿纳米颗粒的螺旋微藻及爱人被用于跟踪使用基于荧光的体内成像超声成像光声成像系统具有超声的分辨率和穿透深度，同时结合了光学方法的特异性磁成像与光学成像相比，磁成像具有更高的分辨率和穿透深度。此外，它还减少了X射线成像的电离辐射的不良副作用放射性核素成像质子发射断层扫描(PET)基于发射可分解放射性核素的正电子，从而产生扫描仪可检测、用于绘制研究区域的伽马射线于。人内研究的热点。等精准医疗的发展为纳米机器人产业化提供强大动力：精准医疗可以通过更精确的诊断，内的微纳机器人最终如何回收？能否通过生物降解/肾脏排出体外？会不会对人所层。纳导技术说明微创手术内窥镜手术机器人，以腹腔镜为代表的内窥镜手术机器人已经得到了广泛的临床应用，主要用于完成心脏外