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進入身體的迷你醫用機器人

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/喻守謙 | 台灣數位文化協會

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中,劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小,乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠,許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐,但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日,雖然我們還無法將人縮小,但在醫療領域,小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想,而是正在實踐的理想。

機器人

讓微型機械進入體內治療。(圖片來源:Photo-Illustration: Dan Saelinger; Prop: Swell)

終極目標:實用醫療

過去十年,已經陸續出現各種研究成果,例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室,有些則已經進入動物實驗,科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務,醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然,夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下,科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性,以免傷及組織,並設計一套在任務完成後,安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力?

關於續航力的問題,微型化不利於傳統的化學電池技術,因為一旦物體小於一毫米,電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」,透過無線電波獲取電力,從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰,因為機器人需要有能夠接收電波的天線,且天線不能太小,同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠,避免收不到信號。

此外,也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極,當芯片遇到胃酸變形時,電極便會結合並透過化學作用獲取5~10分鐘的短暫電力。在這期間,裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制,工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力,才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭,經由特定反應對象獲取能量,例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術,例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下,也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯(David Gracias)與其同事,已經開發出一種星型的微型鉗,能對環境因素產生反應,例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內,當偵測溫度靠近人的體溫時,微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當,微型鉗便能採集周遭的組織,進行篩檢。微型鉗的應用,可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示,患者可以透過「服用」大量的微型鉗,讓裝置直接抵達腸道,增加篩檢取樣的面積。與之相對,醫生也能從直腸直接注入微型鉗,稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官,到達的門檻較低,且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織,前往正確位置的難度就高上許多,需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜(Bradley Nelson)正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示,即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人,都難以抗衡血液中強大的電流,因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散,但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度,進一步減低藥物的劑量,以減少副作用。

目前採用的解決方案,是在裝置外圍添加磁性材料,並透過核磁共振機器,引導裝置到達目的地,此舉已在動物實驗獲得成功,但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制,也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式,希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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