可生物降解纳米纤维多足机器人，有望用於消化道进行可控定点药物治疗
由香港城市大学（城大）学者领导的一项研究，成功制作出可以生物降解的纳米纤维多足机器人Fibot。这纳米机器人不但可于肠道内行走，更可因应环境的酸碱值而降解，到不同的预定肠道位置定点释放不同的药物。这项研究为微型机器人的开发提供启示，有望用于在消化道进行可控的定点药物治疗，亦促进可生物降解和具有环境适应性的装置于生物医学范畴的应用。
研究团队由城大生物医学工程学系（BME）的副教授申亚京博士领导。研究结果已于学术期刊《Matter》上发表，题为〈Nanofiber-based biodegradable millirobot with controllable anchoring and adaptive stepwise release functions〉。
利用外在磁场驱动行走 Fibot能于体内肠壁中“锚定”位置
胃部和肠道环境呈酸性，胃壁表面凹凸不平，而且肠道的蠕动令定点精准释放药物变得困难，不过申博士团队最近便克服了这些困难。他介绍其研究成果说：“我们这个以纳米纤维制成的柔性机器人（nanofiber-based soft millirobot）名为‘Fibot’，具有可控的锚定（anchoring）的能力，并且可以根据环境的酸碱值而完全生物降解，因而能够于消化道逐步释放包裹于身体内和足部的不同药物。”
城大申亚京博士的研究团队，成功制作出可以生物降解的纳米纤维多足机器人Fibot。透过调整材料成分，Fibot可以按环境的pH值变化而可控地降解，在预定的位置逐步释放药物。（DOI number: 10.1016/j.matt.2022.01.023）
所谓“锚定”，意即当Fibot走到肠道指定位置时，能固定在那里，而不受消化道蠕动所影响。Fibot由外在磁场驱动而行走，其多足的设计令它即使在复杂的体内环境中也能有效移动，当增强磁力就可以令Fibot于肠壁内“锚定”。
兔子活体实验證明Fibot经过4小时後彻底降解
申博士解释说：“Fibot的足部可以穿入肠黏膜层，于指定的肠道位置‘锚定’，不致被消化道的蠕动推走，为在指定位置释放所携带的药物提供基础；由于磁力操控适度，Fibot足部不会触及消化道的黏膜下层和肌外层，避免了刺穿肠道的风险。”
研究人员对Fibot进行了不同实验，例如：把它放于猪只凹凸不平、湿滑、酸性（pH值为5）的胃部，证实在磁场驱动下，它于10秒内行走了7厘米，反映其于胃部环境内的行走能力。他们把Fibot置于兔子身上进行活体实验，当Fibot进入消化道，并走到指定位置时，研究人员利用增强了的磁场，成功将它“锚定”于肠道组织上，其间Fibot一直停留原位，只是随着时间而逐步降解，直至4小时后彻底降解。
用對不同pH值產生反應而降解的材料 实现可控的药物释放
（DOI number: 10.1016/j.matt.2022.01.023）
Fibot另一特点是能够释放不同的药物，关键在于它的制成材料。研究人员用可生物降解的物料制作出纳米纤维，再分别制成柔性薄膜状的“身体”以及一排排的针状足部。然后研究人员通过静电纺丝（electrospinning）在磁力辅助下，将Fibot的身体和足部组装起来。
组成Fibot身体的纳米纤维具有核壳（core-shell）的特别结构，药物可以藏于壳内。研究人员同时调整物料成份并混入药物，制成针状足部。申博士说：“只要我们在制作过程中调整物料，身体和足部这两部分会于不同pH值下被降解，令我们可以控制被包裹的不同药物逐步从Fibot的身体和足部释放。”
团队的实验证明，即使在胃部等这些pH值少于或等于5的酸性环境里，Fibot整体的结构依然稳定，不会泄漏包裹着的药物；而当Fibot身处pH值大于或等于5.5的环境，足部就会慢慢溶解，并于超过40分钟的时间逐步释放所携带的药物，而身体仍然保持完整，可以继续受外在磁力牵引而行走；当身处于pH值大于6的环境中，Fibot剩余的身体会在7小时内被完全降解，释放出另一种药物。
研究证实Fibot具完全生物相容性，可安全作生物医学用途
申博士进一步说：“活体实验证实Fibot拥有完全的生物相容性，亦能完全生物降解，所以不会阻塞肠道。“锚定”于肠道组织亦没有引起任何炎症反应，可以安全作生物医学用途。”
Fibot为设计可完全生物降解、能于目标位置“锚定”逐步释放药物的功能性微型机器人带来了启示，而且或可用于未来的目标位置递送和可编程释放等医疗操作，以及临床应用的肠道大分子递送。申博士总结说：“Fibot不但为局部位置的治疗提供了新的解决方案，也为透过皮肤释放大分子药物的做法提供了实现机会。”
申博士是论文的通讯作者。来自城大BME的博士候选人谭蓉和杨雄均是第一作者。申博士团队内的博士毕业生陆豪健博士以及博士生杨柳、张铁山、苗佳麒、丰雨亦有参与这次研究。
是次研究获得国家自然科学基金、深圳市基础研究重点项目和香港研究资助局的资助而进行。
DOI number: 10.1016/j.matt.2022.01.023
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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