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X-Doctor | 靶向治疗:冯林教授驾驭微纳机器人创造医学奇迹

已有 637 次阅读 2024-4-18 11:56 |个人分类:国际交流|系统分类:观点评述

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【X-Doctor】2024年,iCANX推出X-Doctor专栏,聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现,每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路,独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力,见证这些创新的力量。第15期,X-Doctor将带你走近北京航空航天大学冯林教授,感受一下他在微纳米机器人的创新之旅。

当大多数人的目光还停留在宏观世界的机器人技术时,冯林教授已经带领他的团队深入微观世界,探索微纳米机器人的无限可能。

冯林教授是北京航空航天大学机械工程及自动化学院的卓越百人教授、博士生导师,他的研究领域主要集中在微纳米机器人上。冯林教授在学术成就方面表现突出,他带领团队在国际顶级会议如IEEE ICRA上获得最佳论文奖等10项荣誉,并且带领学生在全国大学生互联网+大赛中获得金奖全国第二、首都挑战杯特等奖、冯如杯一等奖20多项。此外,冯林教授还发表了130篇学术论文,其中包括封面文章10篇,并出版了《微纳米机器人概论》教材一部、英文专著4部。

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冯林教授的研究方向包括超高速非接触磁控微型机器人的细胞克隆技术、磁性纳米颗粒侵染的细胞机器人以及自主式姿态可控靶向等方面。他开发的智能化光电镊系统能够实现对细胞、细菌、微生物等微纳米尺度生物微粒的并行操控,展现了高通量和精准化的能力。

横跨光控与磁控-光电镊微纳操作系统

冯林教授课题组研发了国产光电镊微纳操作系统,填补了国内空白。该系统具有高通量和精准化的能力,可实现对细胞、细菌、微生物等微纳米尺度生物微粒的并行操控。

冯林教授的研究团队在光电镊微纳操作系统领域取得了显著成就,成功实现了对微小生物微粒进行高效、精确的并行操控。这一成就主要归功于以下几个关键因素:

首先,光致介电泳效应的巧妙应用使得光电镊技术能够在复杂的流体、光电和生物力场中对微小目标进行精准操控,极大地推动了细胞操作和微机械系统等领域的发展。

其次,光电镊技术与其他微操作技术的结合使用,如传统介电泳、声学镊子和微纳米机器人等,不仅提高了对微小目标操控的灵活性,还扩大了应用范围,使得对微纳米生物微粒的并行操控变得更加高效和精确。

第三,光电镊技术本身所具有的可编程性、通用性和高通量特点,使其在处理大量微纳米生物微粒时表现出色,能够实现快速并行操控。

最后,光电镊技术的非接触和无损伤操作方式对于保护生物微粒的活性至关重要,避免了因物理接触可能导致的细胞损伤或死亡,确保了操作的精确性和生物微粒的生存率。

癌症靶向治疗方面

让纳米机器人装载药物,到达指定地点,定向治疗炎症或清除肿瘤,这是医学纳米技术的终极目标之一。但传统微纳米机器人在人体内的运动,其实靠的是分子之间的结合力,这是一种“被动靶向”,难免脱靶。就好比我们知道,人群中具有某种特质两类人可能会碰上。但茫茫人海中你最后碰上的是不是想要的人,其实要打一个问号。

冯林教授团队开发了磁控微型机器人,包括胶囊机器人、微纳米机器人等,用于精准靶向实体瘤,抑瘤效果达到91%。

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图 | MCR 运行机制,i 为磁性纳米颗粒(MNPs)制备图,ii 为细胞机器人的制备,从纳米颗粒和细胞机器人中释放阿霉素(DOX)iii 为细胞机器人在体内靶向治疗肿瘤的过程。(来源:Small )

冯林教授团队研究出了一种新的更为智能的肿瘤靶向机器人,这种机器人具有伪装和导航功能,能够在磁场的引导下精准搏杀肿瘤细胞 。2021年9月,纳米科学领域权威期刊《Small》以封面文章的形式报道了课题组的研究成果。

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国际知名期刊《Small》当期封面文章

Dai, Y., Bai, X., Jia, L., Sun, H., Feng, Y., Wang, L., Zhang, C., Chen, Y., Ji, Y., Zhang, D., Chen, H.*, Feng, L.* (2021). Precise Control of Customized Macrophage Cell Robot for Targeted Therapy of Solid Tumors with Minimal Invasion. Small, 17(41), 2103986. “特别设计的巨噬细胞基微纳米机器人实现靶向治疗肿瘤”,论文第一作者是北航机械学院2017级学生戴玉国,通讯作者是冯林和陈华伟。

冯林教授团队提出了一种通过具有生物相容性的磁流体机器人实现肿瘤的光热治疗方法。该方法将磁流体的基载液改为具有生物相容性的植物油,通过三维电磁控制系统实现磁流体机器人的靶向控制,并对该种磁流体机器人在体外与体内的生物相容性和光热肿瘤杀伤效果进行了细致的研究。相关研究内容以"Biocompatible ferrofluid-based millirobot for tumor photothermal therapy in Near-Infrared II window"为题发表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上,冯林教授为通讯作者 。

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用于近红外 II 窗口肿瘤光热治疗的生物兼容磁流体液滴机器人(BFR)概念图。

冯林教授团队研究开发出了一种高精度磁悬浮胶囊机器人,通过给微型机器人套上胶囊的伪装,配合磁场导航,实现精准治疗。

主动可控肠胃镜胶囊机器人

冯林教授团队开发的主动可控肠胃镜胶囊机器人,通过先进的机械设计和磁悬浮技术,实现了对人体胃肠道的精准无创诊疗。

该胶囊机器人采用尺蠖式设计,利用直流电机作为动力源。通过双轴复用减速器和丝杆螺母机构,将旋转运动转化为两个串行的直线运动,分别驱动机器人的径向和轴向伸缩,并按照一定的时序配合实现尺蠖运动。此外,还涉及到高精度磁悬浮技术的应用,通过给微型机器人套上磁体,实现精准控制。

冯林教授团队的胶囊机器人主要用于人体胃肠道的无创诊疗。这种胶囊机器人的应用,不仅能够提供图像信息,还能进行活检操作,是未来消化道疾病筛查的主要发展方向。

与传统的消化道内窥镜相比,这种胶囊机器人具有无创、无痛、无需麻醉的优点,避免了交叉感染的风险,适合大规模应用。它为胃肠疾病的早期发现和诊断提供了新的技术手段,有望提高胃肠疾病的诊疗水平。

随着冯林教授团队的不懈努力和持续创新,微纳米机器人技术正逐步从实验室走向临床,从理论走向实践。他们的研究不仅为医学领域带来了革命性的突破,更为人类的健康事业贡献了宝贵的智慧和力量。

冯林教授的故事,就像一部精彩纷呈的科幻小说,将微纳米世界的奥秘和潜能展现在世人面前,激励着更多的科研工作者投身于这一激动人心的领域。

在未来,我们有理由相信,在冯林教授及其团队的引领下,微纳米机器人将不断刷新我们对医疗科技的认知,为人类带来更多的希望和可能。让我们拭目以待,这位科技领域的领航者将如何继续书写他的传奇故事,为世界带来更多的光明与希望。

2024年4月9日,冯林教授曾在Youth Talks上进行《Optoelectronic-tweezer micromanipulation and magnetically controlled micronanorobot》的学术演讲,请点击查看。

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【重磅通知】iCANX达沃斯峰会将于2024年7月11日-12日举行。本次大会将邀请数百名国际著名科学家、行业专家、政策制定者及知名投资人参会,在将近20个分论坛上,就创新、科学、技术、投资、管理和创业等多个话题分享和展示各自的最新成果,探讨行业未来的发展方向。

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