植入式微型機器人：創新的制造平臺制造復雜的生物相容性微機械

由哥倫比亞工程公司的生物醫學工程教授Sam Sia領導的一個研究小組已經開發出一種用生物材料制造微型尺寸機器的方法，這種機器可以安全地植入體內。使用水凝膠，這是工程師已經研究了數十年的生物相容性材料，Sia發明了一種新技術，將軟材料層疊在一起，制造出具有三維自由移動部件的設備。該研究于2017年1月4日在線發表于Science Robotics，展示了Sia稱之為“可植入微機電系統”(iMEMS)的快速制造方法。

通過利用水凝膠的獨特機械性能，研究人員開發了一種“鎖定機構”，用于精確驅動和自由移動部件的運動，可提供閥門，歧管，轉子，泵和藥物輸送等功能。他們能夠在廣泛的機械和擴散性能范圍內調整生物材料，并在植入后控制它們，而無需持續供電，如有毒電池。然后，他們測試了骨癌模型中的“有效負載”遞送，發現在10天內觸發多柔比星從裝置中釋放顯示出高的治療效果和低毒性，為標準全身化療劑量的1/10。

“總體而言，我們的iMEMS平臺能夠開發具有各種復雜移動組件的生物相容性可植入微器件，可以按需無線控制并解決器件供電和生物相容性問題，”Sia說，他也是數據科學研究所的成員。“我們對此感到非常興奮，因為我們已經能夠將生物材料世界與復雜，精細的醫療設備連接起來。我們的平臺有很多潛在的應用，包括我們論文中展示的給藥系統，與為精準醫學提供量身定制的藥物劑量有關。“

大多數現有的可植入微器件具有靜態部件而不是移動部件，并且因為它們需要電池或其他有毒電子器件，所以具有有限的生物相容性。Sia的團隊花了八年多的時間研究如何解決這個問題。“水凝膠難以使用，因為它們柔軟且與傳統加工技術不兼容，”與Sia合作的研究的第一作者Sau Yin Chin說。“我們調整了機械性能，并仔細地匹配了設備內相互接觸的結構的剛度。互鎖的齒輪必須是剛性的，以便允許力傳遞并承受反復的驅動。相反，形成的結構鎖定機構必須柔軟且有彈性，以允許齒輪在致動期間由它們滑動，同時，當裝置未被致動時，它們必須足夠堅硬以將齒輪保持在適當位置。我們還研究了水凝膠的擴散性質，以確保負載的藥物不易擴散通過水凝膠層。“

該團隊使用光來聚合凝膠片，并采用步進機械化來控制z軸并逐層圖案化片材，賦予它們三維性。控制z軸使研究人員能夠在水凝膠的一層內創建復合結構，同時在整個制造過程中管理每層的厚度。他們能夠堆疊多個精確對齊的層，因為它們可以一次聚合一層，一個接一個地復合，復雜的結構在30分鐘內建成。

Sia的iMEMS技術解決了構建生物相容性微器件，微機械和微機器人的幾個基本考慮因素：如何在不使用有毒電池的情況下為小型機器人設備供電，如何制造非生物相容性的小型生物相容性可移動組件，以及如何無線通信一次植入(射頻微電子學需要功率，相對較大，并且不具有生物相容性)。研究人員能夠觸發iMEMS設備在植入后數天到數周內釋放額外的有效載荷。它們還能夠通過使用磁力來實現精確致動，從而引起齒輪運動，進而彎曲由具有高度可調特性的水凝膠制成的結構梁。

該團隊在研究期間與哥倫比亞大學醫學中心的整形外科醫生Francis Lee合作，測試了骨癌小鼠的給藥系統。iMEMS系統在癌癥附近進行化療，并且限制腫瘤生長，同時顯示出比在整個身體中施用的化學療法更低的毒性。

“這些微型組件可用于微機電系統，適用于從藥物輸送到導管到心臟起搏器和軟機器人等大型設備，”Sia說。“人們已經在制造替換紙巾，現在我們可以生產小型植入式設備，傳感器或機器人，我們可以通過無線方式進行通信。我們的iMEMS系統可以使該領域更接近開發可以安全地與人類和其他人交互的軟微型機器人生活系統。“