仿生无约束微纳米机器人   

  仿生无约束微纳米机器人，由于其具有体积小、重量轻、推重比大、无线移动能力强和灵敏度高的优点，在生物医学领域有非常重要的应用价值，如疾病诊断、微创手术、靶向治疗等。本文系统介绍了仿生无约束微纳米机器人的制造方法和运动控制，并讨论了微纳米机器人的生物医学应用，最后讨论了未来可能遇到的挑战。综上，本文阐述了仿生无约束微纳米机器人及其在生物医学领域的应用潜力 。

  近年来，针对尺度在微纳米级别（几纳米至几百微米）的小型机器人——微纳米机器人的研究取 得了重大进展。研究人员从可游动微生物身上得到启发，制造了移动微纳米机器人。无约束的移动微纳米机器人由于具有体积小、无线移动能力强等优势，可以在狭小、难以触及和敏感的体内位置进行访问和导航。在生物医学领域，其可用于微创手术、靶向治疗以及细胞操作和分析等。相对于较大型医疗机器人系统（如达芬奇手术机器人），微纳米机器人的研发面临着新的挑战，即在微米和纳米尺度上推进机器人系统的小型化，以进行微创手术、靶向药物递送等。因此，本文主要综述用于生物医学应用的仿生无约束微纳米机器人。
  在过去的几十年中，微纳米机器人的发展取得了巨大的进步。微纳米机器人的驱动方法主要分为物理驱动、化学驱动、生物混合驱动等方法。

仿生医用无约束微纳米机器人的制造

  不同于传统机器人通常依赖数控机床等来加工，仿生医用微纳米机器人的制造方法，主要包括三维（three-dimensional，3D）打印、微成型和模板辅助的逐层组装等。
3D打印是目前广泛使用的一种方法，多喷嘴成型、熔融沉积成型、喷墨和气溶胶喷射打印、选择性激光烧结、立体光刻、数字光处理等是常见的3D 打印技术。Wang等报道了一种3D 打印的可生物降解的螺旋微游泳器。Lamont 等采用原位激光直写技术（in-situ direct laser writing， isDLW）3D 打印了微流体螺旋线圈。Bozuyuk等利用双光子3D 打印技术，成功构建了一种直径为6 µm，长度为20 µm的磁动力双螺旋微游泳器，可以利用外部光刺激按需主动释放化疗药物阿霉素（doxorubicin，DOX）。
  微成型是使用带有微小空腔的模具来成型材料的过程。例如，Zhang等使用带有石英窗的自制压机，通过微成型方法用聚N-异丙基丙烯酰胺［poly（N-isopropylacrylamide），PNIPAM］制备动态螺旋微带。同时，该研究团队还使用这些氟化弹性体模型复制微凝胶颗粒，并嵌入了金纳米棒，用于通过近红外光对结构进行局部加热，从而产生用于其驱动的构象变化。

  逐层（layer-by-layer，LbL）组装是一种自组装制造方法，它是由带相反电荷的材料依次沉积而成。通过使用不同种类的模板和溶剂，该技术可以制造各种软微纳米机器人。此外，在此过程中掺入纳米颗粒或有机分子，可以扩大其应用范围。 Wu等提出了基于蛋白质—明胶材料的微型机器人，用于药物的递送和释放。他们使用孔径约5 µm的聚碳酸酯膜，通过模板辅助的逐层组装制造得到了微纳米机器人。
  其他制造技术还包括材料沉积、聚焦离子束和基于模板的润湿技术等。

仿生无约束微纳米机器人的生物医学应用

  对于仿生医用无约束微纳米机器人的生物医学应用，国内外的研究主要包括以下几个方向：① 用于疾病诊断和健康监测的移动式原位传感；② 靶向治疗；③ 外科微创。

  用于疾病诊断和健康监测的移动式原位传感

  微纳米机器人作为一种可植入的移动传感器，可以追踪显示目标生化标记物，从而动态监测患者健康状况，对疾病进行早期诊断 。例如，糖尿病患者每天需要进行多次采血来监测血糖水平，操作极其不方便。现已发现一些形状可改变的聚合物、纳米颗粒，可作为对内源性信号响应的可植入生物传感器候选物。Sarath等提出了一种模拟的医用微纳米机器人模型，可以通过其机载的化学传感器检测体内的血糖水平，如果患者的血糖值达到临界水平，微纳米机器人就会通过无线电信号向患者的手机发出警报，提醒患者是否需要注射胰岛素或采取进一步的措施。

  靶向治疗

  靶向治疗能够增加药物、成像造影剂、小干扰核糖核酸（small interfering RNA，siRNA）、细胞、疫苗、放射性籽粒和蛋白质等治疗药物在体内特定靶区的局部浓度，同时减小身体其他部位的副作用。此外，控制释放动力学还可以调节药物在治疗部位的浓度，从而延长单剂量给药的效果。移动式微纳米机器人可以在特定的目标位置精确、可控地释放此类治疗性生物和化学物质，从而将潜在的副作用降到最低，并且可以输送更多的物质，以便患者更快、更好地恢复健康。

  移动微纳米机器人作为靶向治疗的工具，现已用于胃肠道、血管等组织的靶向给药。现已有许多初步研究证明，微纳米机器人在试管和体外环境中具备递送功能。Field 等报道了一种医用微米机器人（medical microrobots，MMRs），能够装载大量的药物和小分子，一旦被触发可按需释放药物。

  外科微创

  微纳米机器人除了用于诊断和靶向治疗外，另一个医疗用途是在体内进行微创手术。由内窥镜或机器人辅助的手术显著减少了切口的大小，降低了术后患者的发病率，缩短了恢复时间，并减少了根治性手术带来的负面影响。远程显微操作作为一种治疗模式，可将微创手术的创口减小为局部可控的物理损伤。Chatzipirpiridis等在活兔眼中进行实验，证明植入式磁性管状微纳米机器人能在眼睛的后段进行手术操作。电化学制备的微纳米机器人用23 号针头向眼睛中央玻璃体液中进行注射，并用检眼镜和集成相机进行监控。该微纳米机器人通过无线控制方式绕三个轴旋转，进而在眼中进行手术操作。未来可以开发类似的磁性管状微纳米机器人，用作可植入设备，针对性地治疗人体其他狭窄部位的疾病。这些研究说明微纳米机器人辅助的手术在很大程度上减少了对组织的损伤，其在微创手术中具有很大的应用前景。

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