未來醫療:能鑽入體內進行治療的微型機器人

文章發表:2018/04/23

黃浥暐

壹、議題概要*

科學家們正致力於設計一種可以進入人體並穿越全身,以施行醫療作業的精微裝置──微型機器人(microbot)和微型馬達(micromotor)。這些人造合成的球體、棒狀、管狀、螺旋狀物,甚至是與細胞一樣微小的籠子,將可被送進血液、肝臟、胃部或是生殖道中,進行病情診斷、藥物攜帶或是手術施行。

迄今為止,人們對微型機器人的操控與追蹤能力仍不足以妥善應用在生物體中,因此在邁入臨床試驗之前,尚有很長一段路要走。除了必須集結各領域專家之力來解決問題之外,政府機關也該加緊腳步,為此類療法研擬出相關法令及政策。或許在10年之內,微型機器人將開創出一個無侵入性治療的新時代。

貳、討論與分析

近百年來,醫療技術不斷地朝高科技與精密化的方向發展,舉例來說,僅需鑽一小面積孔洞的內視鏡手術取代了需要大面積傷口的傳統開刀法,大幅降低了治療時對組織的破壞與體表傷口大小。然而,對一般人來說,醫院仍是個令人心生恐懼之處,許多診斷與治療過程中,仍無法避免產生傷口與疼痛,因此科學家試圖找出更多非侵入性的方法,將之應用在醫療,此不僅是為了減輕病患的痛苦,更是為了降低治療可能造成後遺症,並加快復原的速度,而能夠鑽入人體執行任務的微型機器人,或許為上述的需求提供了突破口。

一、微型機器(馬達)簡介[1]

現有三種形式的微型馬達,其可分別依據主要的推進模式,而被分類為:化學、物理以及生物型微型馬達,每種各有其優缺點,茲將其簡述下。

(一)化學型

透過燃料消耗轉換化學能為動能,常藉由微型馬達內的催化劑(如鉑、銀、鈀)對周圍的液體(過氧化氫或有機化合物)發生化學反應以達成能量轉換目的。有些馬達經由排除不對稱管中某端之氣體氣泡以受驅動;也有些是藉由金與鉑兩種金屬組成,並因彼此間在表面形成的不同張力、燃料消耗或吸光率,進行驅動。一般來說,化學馬達很難被控制,也易受周遭化學與熱梯度影響,因此常需透過施加磁場、光或超音波以輔助操作。整體而言,其耐久力與效率還有待改善。

化學型微型機器(馬達)在體外的運用,包括:在汙水中吸收有毒物質作為燃料,或被用於晶片,以進行化學與生物性物質偵測。而在生物體內的使用方面,則需消耗內存葡萄糖、尿素或組織液等,作為燃料。例如,在老鼠胃中的管狀微型馬達,藉由在酸中溶解鋅,產生能量而獲得動力推動。

(二)物理型

物理型微型馬達,可藉由改變磁場以獲得動能運作。例如,在一旋轉磁場下,使一具磁性的螺旋狀物體可繞著其軸線旋轉。此類裝置較易受控制,同時也可隨時修改磁場方位與頻率,藉此改變馬達方向與速度;超音波亦可被用來作為推進和引導。物理馬達的推動力與化學馬達相比之下較低,且需要複雜的驅動系統以獲得動力。它們可攜帶裝載物,如感應器、藥物或基因等,用以捕捉、運送細胞,甚至是進行微創手術或組織切片檢查。

(三)生物混合型

生物混合型微型馬達,結合人造裝置與生物媒介,諸如細菌、精子等,且此類生物機器人可自然地在生物體內悠游,更可穿越生物體中的組織,將藥物傳遞至深處的目標。透過生物體本身可於磁性、酸性或特定生化環境下進行感知、動作與回應的特質,因此可利用外加磁場或生物體本身的趨性,使其前往目標,舉例來說,可利用能感應地球磁場的細菌作為血管內攜帶藥物之媒介。

此外,2017年曾有研究發表指出,將一個承載抗癌藥物的精子與一具磁性的鐵外殼「頭套」進行接合,將之送入生殖道後,再適時以外部磁場加以引導,此「精子機器人」不僅成功進入癌細胞釋放藥物,更具未來應用於治療婦女生殖道癌症之巨大潛力,避免一般化療傷害正常組織的副作用[2]。亦有科學家利用旋轉磁鐵驅動螺旋形的物理性微型馬達,藉此幫助一具活性但不可移動的牛類精細胞,能夠移動至卵母細胞。精子數量低下與能動性不足,是造成男性不孕的兩項主因,假使此「精子機器人」可捕捉並引導精子移動至卵母細胞,並在進行體內受精,便可透過此低侵略性較低的程序獲得到更高的受精率,使胚胎在發育過程中處於更自然的環境。

二、當前挑戰

目前微型機器人的實驗大多聚焦於體外(in vitro)試驗,它們在培養皿中很容易受操控,但若必須在充滿蛋白質與細胞的生物流體中游動,且在身體的複雜渠道與腔穴中穿梭,其操控難度將被大大提升。因此,無論是哪種類型的微型機器人,皆必須提升其機動性及準確度,以鎖定正確的目標對象。

另一方面,為了進入臨床試驗,微型機器人尚須克服兩個主要障礙。第一,研究人員需要能長時間追蹤它們在體內的運作。較理想的方式,需要可對皮膚表層10釐米之下的微型馬達,進行3D成像,解析出直徑1~50微米的裝置,並追蹤至裝置約每秒數十微米的最小速度,此是典型的細菌或精子移動速度,但現今的影像技術,在敏感度與解析度方面,依然有所不足。第二,所有進入人體內的材質,皆須具備生物相容性(biocompatible)或是可進行生物降解(biodegradable),在使用之後,其應可被移除或具相當穩定性,符合可移除或具穩定性之策略,包括:將它們退回起點,如嘴、眼、耳、陰道、尿道等,或使其在降解後可被人體吸收或自然排出。可被生物降解的物質,例如,甲殼素、聚乳酸或聚己內酯,其於特定PH值、溫度或時間限制下具溶解特質,但其功能性塗層中,可能具有的金屬、氧化物、聚合物成分,在降解過程中是否可能引起免疫反應或產生毒性,仍需進一步研究。穩定的生物機器人,或許可運用植入物的形式留在人體內,執行監控器官之功能。

三、放眼未來

微型機器人在醫療領域可能扮演各種角色,包括:運送藥物或細胞;在體內進行生化感應與探測;執行組織切片或微型手術;幫助人工受精;進入細胞執行基因轉殖等,也許有一天,疾病的診斷或治療,可不必進行任何手術,直接採取吞入機器人藥丸方式,以執行各項精細任務。然而,面對這些微米等級,且可於人體深處,進行主動移動的小小尖兵們,自然必須更加謹慎以待,審慎預防其可能帶來的風險與危害,這種種問題,仍有賴各領域專家合作解決。目前研究人員,尚須增進微型馬達移動的效率與精準度,且積極開發具備追蹤深層顯微構造功能之影像技術,並須確保所有應用於人體中的材質,其在人體內的安全性,同時也顧及並設計這些微型機器人安全的退場機制。監管機關與道德倫理委員會,也應儘速建立對於微型馬達及生物混合療法(biohybrid therapies)臨床測試的相關規定,無論是微生物或是人造部分所應用的所有材質、顯微構造以及其相關功能,都需要進行完整且嚴謹的測試與審核。醫師亦須了解這些新式材料與科技該如何駕馭與使用,然後規劃出最適合此技術的應用。惟有知識、技術、法規、與監管系統平衡運作的情況下,此類新興療法才能帶來更美好的未來。

註釋

  • Mariana Medina-Sánchez& Oliver G. Schmidt, Medical Microbots Need Better Imaging and Control, NATURE, May 24, 2017, https://www.nature.com/news/medical-microbots-need-better-imaging-and-control-1.22022 (last visited Apr. 2, 2018). 返回內文
  1. Mariana Medina-Sánchez& Oliver G. Schmidt, Medical Microbots Need Better Imaging and Control, NATURE, May 24, 2017, https://www.nature.com/news/medical-microbots-need-better-imaging-and-control-1.22022 (last visited Apr. 2, 2018). 返回內文
  2. Haifeng Xu, Mariana Medina-Sánchez, Veronika Magdanz, Lukas Schwarz, Franziska Hebenstreit & Oliver G. Schmidt, Sperm-Hybrid Micromotor for Drug Delivery in the Female Reproductive Tract, https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1703/1703.08510.pdf (last visited Apr. 2,2018). 返回內文

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