由哥倫比亞工程公司的生物醫(yī)學(xué)工程教授Sam Sia領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)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(nèi)。使用水凝膠，這是工程師已經(jīng)研究了數(shù)十年的生物相容性材料，Sia發(fā)明了一種新技術(shù)，將軟材料層疊在一起，制造出具有三維自由移動部件的設(shè)備。該研究于2017年1月4日在線發(fā)表于Science Robotics，展示了Sia稱之為“可植入微機電系統(tǒng)”(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(fā)了一種“鎖定機構(gòu)”，用于精確驅(qū)動和自由移動部件的運動，可提供閥門，歧管，轉(zhuǎn)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(nèi)調(diào)整生物材料，并在植入后控制它們，而無需持續(xù)供電，如有毒電池。然后，他們測試了骨癌模型中的“有效負(fù)載”遞送，發(fā)現(xiàn)在10天內(nèi)觸發(fā)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(biāo)準(zhǔn)全身化療劑量的1/10。

“總體而言，我們的iMEMS平臺能夠開發(fā)具有各種復(fù)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(shù)據(jù)科學(xué)研究所的成員。“我們對此感到非常興奮，因為我們已經(jīng)能夠?qū)⑸锊牧鲜澜缗c復(fù)雜，精細(xì)的醫(yī)療設(shè)備連接起來。我們的平臺有很多潛在的應(yīng)用，包括我們論文中展示的給藥系統(tǒng)，與為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供量身定制的藥物劑量有關(guān)。“

大多數(shù)現(xiàn)有的可植入微器件具有靜態(tài)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(tuán)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?nèi)彳浨遗c傳統(tǒng)加工技術(shù)不兼容，”與Sia合作的研究的第一作者Sau Yin Chin說。“我們調(diào)整了機械性能，并仔細(xì)地匹配了設(shè)備內(nèi)相互接觸的結(jié)構(gòu)的剛度?；ユi的齒輪必須是剛性的，以便允許力傳遞并承受反復(fù)的驅(qū)動。相反，形成的結(jié)構(gòu)鎖定機構(gòu)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(dāng)裝置未被致動時，它們必須足夠堅硬以將齒輪保持在適當(dāng)位置。我們還研究了水凝膠的擴散性質(zhì)，以確保負(fù)載的藥物不易擴散通過水凝膠層。“

該團(tuán)隊使用光來聚合凝膠片，并采用步進(jìn)機械化來控制z軸并逐層圖案化片材，賦予它們?nèi)S性?？刂苲軸使研究人員能夠在水凝膠的一層內(nèi)創(chuàng)建復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(fù)合，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在30分鐘內(nèi)建成。

Sia的iMEMS技術(shù)解決了構(gòu)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(shè)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(xué)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(fā)iMEMS設(shè)備在植入后數(shù)天到數(shù)周內(nèi)釋放額外的有效載荷。它們還能夠通過使用磁力來實現(xiàn)精確致動，從而引起齒輪運動，進(jìn)而彎曲由具有高度可調(diào)特性的水凝膠制成的結(jié)構(gòu)梁。

該團(tuán)隊在研究期間與哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的整形外科醫(yī)生Francis Lee合作，測試了骨癌小鼠的給藥系統(tǒng)。iMEMS系統(tǒng)在癌癥附近進(jìn)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(xué)療法更低的毒性。

“這些微型組件可用于微機電系統(tǒng)，適用于從藥物輸送到導(dǎo)管到心臟起搏器和軟機器人等大型設(shè)備，”Sia說。“人們已經(jīng)在制造替換紙巾，現(xiàn)在我們可以生產(chǎn)小型植入式設(shè)備，傳感器或機器人，我們可以通過無線方式進(jìn)行通信。我們的iMEMS系統(tǒng)可以使該領(lǐng)域更接近開發(fā)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(tǒng)。“