精准搏杀肿瘤细胞！北航老师给纳米机器人披上伪装，安上导航！

以实际行动和优异成绩庆祝建党100周年

人类与癌症的斗争

已经持续了数千年

每一次斗争的胜利和认识的深化

都伴随科学技术的发展

微纳米医疗机器人

被认为是颇具前途的智能给药平台

广泛用于肿瘤的靶向治疗

近日，一位北航老师

研究出了一种新的肿瘤靶向机器人

它有伪装，可以避开免疫细胞的攻击

它有导航，能够准确无误地抵达战场

从而更加智能精准地

投掷杀伤肿瘤的“弹药”

11月10日《科技日报》5版头条

报道北航机械工程及自动化学院

冯林课题组与纳米机器人的故事

用磁场做导航纳米机器人精准搏杀肿瘤细胞

本报记者张盖伦

上映于1966年的科幻电影《神奇旅程》，讲了这么一个故事：为给一名科学家实行高难度血管手术，五名医生被缩小成头发丝大小，置于针筒中，注射进他体内。五人驾驶着“潜艇”，躲过了免疫细胞的攻击，一路乘风破浪，成功完成任务。

50多年过去，当初的幻想，已经部分成为了现实。微纳米医疗机器人，就被认为是一种颇具前途的智能给药平台，目前被广泛用于肿瘤的靶向治疗。

近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院“卓越百人”副教授、博士生导师冯林课题组，研究出了一种新的更为智能的肿瘤靶向机器人。它有了伪装，还有了导航，能够在磁场的驱动下，精准抵达战场，投掷杀伤肿瘤的弹药。

冯林课题组合影

让巨噬细胞吞下纳米药物

变身微纳米机器人

并给它装上导航

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。”冯林说。

而且，也如当初那部电影里所展示的，被注射进人体内的纳米机器人，稍有不慎，就会遭到兢兢业业工作的免疫细胞的攻击。对侵入人体的异物，免疫细胞可是毫不留情，定要抗争。

那么，能不能让这类医疗机器人更为安全且精准地到达想去的地方？

2016年从日本回国后，冯林就一直思考这个问题。在北航机器人所的支持下，冯林和陈华伟老师合作申请获批了国家重点研发计划-机器人重大项目“靶向给药微纳米机器人”。在一次和陈老师的讨论中，陈老师问可不可以让活细胞作为载体？这句看似很随意的问题提醒了他：直接让活的细胞吞进载药纳米颗粒变身微纳米机器人行不行呢？

他们想到了巨噬细胞——这是一种喜欢吞食并处理异物的细胞。

合适的载体和“伪装”找到了，接下来，就是设计机器人的“导航系统”。

磁性纳米颗粒可以由磁场来控制，药物释放可以利用红外或者超声波。几乎是从零开始，冯林团队自行设计了复合磁控系统。他们从电子线圈开始设计，一点点调整、摸索技术参数。磁性纳米颗粒进入小鼠体内后，通过这套系统，他们可以在体外对其行走路径进行高精度控制。

再接下来，就是让磁性纳米颗粒装载药物，并让它在合适地点，通过合适方式，释放药物。

这款机器人其实设计有许多层。在阿霉素外层，是聚乙二醇，一种具有良好水溶性的高分子化合物；再外一层，是吲哚菁绿，它是药物研究中常用的荧光标记物，帮助科研人员判断机器人所在的位置，最后他们还包裹了一层脂质体，它具有非常高的生物相容性。

他们还为它设计了一个开关——近场红外光。近红外光穿透表层皮肤，磁性纳米颗粒吸收光线，产生热量，会释放出阿霉素。

如此一来，基本实现“指哪打哪”的效果。

“接收指令，执行指令，完成任务，在我们做机械的人眼中，具备这些能力的，才是智能的机器人。”冯林说。

团队用靶向给药微纳米机器人在小鼠身上做了实验。他们用了乳腺癌细胞种植的皮下肿瘤模型，对30只小鼠跟踪了30天。团队发现，这种方法对小鼠肿瘤确有靶向杀伤作用，且对周围正常组织的影响最小。

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。

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。

在机械学院

他们建立生物医学实验室

冯林的团队中，有好几个医学生物专业出身的博士。在他的机械实验室里，还有一块专门区域，用来生物医学实验。

所以，你能看到这样一个略显奇特的景象——实验室里，有各类机械模型，有专业级的显微镜，以及小白鼠。

冯林是“80后”，本科学的电子信息工程，硕士专业是生物机器人，博士留学日本名古屋大学，跟着导师新井史人教授一头扎进了更为微观的世界——微纳米机器人。

这并非冯林的初衷。那时，他觉得能唱歌跳舞健步如飞的机器人更酷，而且离实际应用更近。而被寄予厚望能够改进诊疗方式的纳米机器人，则显得和临床太过遥远。

但随着科技的进步，已经一切皆有可能。

回国后，冯林来到北航，获得北航“卓越百人”加入了机械学院张德远老师领导的仿生与微纳系统研究所，之后又得到北京市“科技新星”资助。冯林也被聘入了北京市生物医学工程高精尖中心，更深入地进入到医疗机器人领域。

“不能只是炒概念，说纳米机器人未来能如何如何。”冯林一直存着这个念头，就是要真正把纳米机器人打入体内，真正杀死体内的肿瘤细胞。

冯林的学生、北航机械工程及自动化学院18级硕士研究生梁树璋告诉科技日报记者，他最常听到的来自这位年轻博导的建议，就是“do it”。“冯老师的整体科研指导思维开放性很高，他鼓励你去尝试、去探索，给你指明方向的同时，也给你足够的空间。”

就在不久前，冯林指导的学生团队凭借“Medcreate磁悬浮胶囊机器人”在第七届中国国国际大学生“互联网+”创新创业大赛中获得金奖（本科生创意组全国第五名）。

它用到的技术，也是“复合场磁控”。

这是一款主动可控高速图像传输型胶囊机器人，能对胃部等大体积消化道器官进行全方位无死角视频探查。胶囊机器人可以悬浮运动，无需改变患者体位，就能完成整个胃部的覆盖式检查。

冯林为学生取得的成绩高兴，但他也知道，要完善各类治疗型的微纳米机器人，还“路漫漫其修远兮”。

从小鼠到人体，从试验到临床，还需要一步步完善和摸索，这并非坦途。“你要舍得花一辈子的时间。”冯林说。

冯林课题组在实验室

冯林

机械工程及自动化学院

“卓越百人”副教授、博导

2011年获得日本机械工程学会“优秀年轻学者”，2019年“北京市科技新星”。IEEE国际微纳米机器人技术委员会委员（全球60人左右），担任Science合作期刊CBS（Cyborg and Bionic Systems）以及两大国际顶级机器人会议（ICRA和IROS）的Associate Editor、分会主席，兼任中国机械工程学会生物制造分会组织委员会副主任委员、中国微米纳米学会微纳机器人分会理事。

获得IEEE机械工程领域最佳论文奖等9次。多次带领本科生获得北航冯如杯、首都挑战杯、全国大学生创新创业大赛等各种奖项。2021年作为指导教师的“磁控胶囊机器人”项目从全国1085个参赛项目中脱颖而出，获得第七届中国国际“互联网+”创新创业大赛本科生创意组全国第五名和全国总决赛金奖，以及首都挑战杯特等奖、北航“冯如杯”一等奖。目前发表论文100余篇，其中SCI 50余篇、EI收录50余篇。在International Journal of robotics Research，Small，Lab on a chip上发表多篇封面文章。

主要研究场控微纳操作和微纳机器人方向。微纳米机器人以其体积小、可控性强、簇作用强、穿透性强等突出特点，在医学、环境、工程、能源等领域受到越来越多的关注。针对如何实现精准化控制、靶向体内给药和细胞微手术操等，提出多种基于物理场(磁场、声场和光场)驱动的微纳操作和微纳机器人。研究内容涉及微电子技术、微纳加工技术、生物、物理、化学、机械、自动化等多个学科。为了避开免疫排异反应并精准到达肿瘤区域完成对肿瘤的杀伤，提出了一种基于活细胞（巨噬细胞）为载体的微纳米机器人。

毫米级软体磁驱动章鱼机器人

利用光电镊把活虫子变成微纳米机器人

超声捕获循环肿瘤癌细胞CTC

出品 | 航小萱工作室

素材来源｜《科技日报》

机械工程及自动化学院

编辑 | 吴香苇

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