利用LSCI技术,揭示微纳米机器人在血管系统内给药的巨大应用潜力

利用LSCI技术,揭示微纳米机器人在血管系统内给药的巨大应用潜力

作者:RWD
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不久前,香港中文大学张立教授团队联合东南大学王乾乾教授团队,在Science Robotics 在线发表题为“Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery”的研究论文。博士生王庆龙与王乾乾教授为论文共同第一作者。研究报告了利用激光散斑对比血流成像技术(研究人员使用了瑞沃德生产的激光散斑血流成像系统)实时跟踪血管内的磁性微纳米机器人集群并引导它们进行血管内导航的研究。研究结果展示了在激光散斑对比成像(LSCI)引导下对微集群在体内外复杂血液环境中进行高对比度成像和导航的潜力。这些发现为改进有针对性的血管内给药提供了机会。

利用LSCI技术,揭示微纳米机器人在血管系统内给药的巨大应用潜力

前沿方向,机遇与挑战并存

微纳米机器人集群是一个集众多科学问题与前沿技术于一体的新兴学科和研究领域,也是文章作者王庆龙博士的研究方向。在和王庆龙博士进一步了解探讨该领域前,他首先和我们做了一个形象的比喻,“假如把机器人集群想象为一面墙,那么机器人单体可以想象为组成墙的各个砖块,同时这些砖块之间存在着动态的相互作用。”

区别于微纳米机器人单体,由无数单体组成的微纳米机器人集群具有一些非常突出的优势。第一,微纳米机器人以集群的方式可以提升递送效率;第二,集群可以显著地增强成像,把机器人单体无法成像变为可能;第三,集群还具备非常强的环境适应性,可以在不同的生物体环境中,尤其是在血液循环系统中通过自己的操控来完成复杂而精确的任务。

但同时,微纳米机器人集群领域的发展也确实面临着一些挑战和复杂性。结合生物医学应用,一方面由于它本身的尺度非常小,并不太适合长距运动和药物递送,尤其对于一些急症来说这点是非常不利的;另一方面对它的精确控制也非常具有挑战性。

于此出发,研究团队决定通过磁场对微纳米机器人集群进行控制,同时与传统导管递送方式结合,来进行具体的血管溶栓作业,在瑞沃德激光散斑对比成像的引导下,实现了微纳米机器人集群在复杂血液循环系统中的追踪和导航。

微纳米机器人领域大有可为,王庆龙博士表示未来实现功能化微纳米机器人集群的生物医学应用,并进一步推动临床转化是研究团队的最终目的。“虽然临床转化具有很大挑战性,但与其相关的一些基础和探索同样是非常有必要的。”

不局限,勇开创,LSCI技术的全新突破

谈到本次实验的研究思路,王庆龙博士说道,“回归成像的技术原理上,首先要明确的一点是,激光散斑对比成像用于微纳米机器人集群成像追踪的可行性。”激光散斑更多是对血流进行成像,说明它其实会对流动的血细胞进行信号采集,并进一步转化成血液成像情况、灌注情况等。王庆龙博士又从微纳米机器人集群的角度分析,集群它同样也是由类似血细胞的颗粒组成,同理,微纳米机器人集群在磁场下的运动是不是也可以被捕捉到且转化为信号呢?

带着这个疑问团队开始进行实验研究,很快,他们的想法得以验证。“于是,我们也就很自然地想到利用成像技术来探究微集群和血液环境的相互作用。”

目前应用于微纳米机器人的成像模式其实已经有不少,例如核磁共振成像、光声成像、超声成像等,每一种成像技术各有优劣,研究团队通过综合考虑成像深度、成像尺寸、时间分辨率、空间分辨率等不同因素后,最终选择了与其研究更加契合的成像设备。

通过使用瑞沃德激光散斑血流成像系统,研究团队可以对微纳米机器人集群在血液中的动态对流能力进行定性、定量的分析,这有利于提高微集群的药物递送能力;紧接着,研究团队从管道、血管模型、人体胎盘模型中进行验证,都非常有效地实现了对微纳米机器人集群在不同血液环境中的成像追踪和导航。“瑞沃德散斑成像分辨率非常高,其中也包含了很多信息,你怎么去解读并且利用这些信息很关键。”

利用LSCI技术,揭示微纳米机器人在血管系统内给药的巨大应用潜力

该项研究将激光散斑血流成像系统和微纳米机器人集群结合,不再局限于研究缺血再灌注,不仅拓宽了散斑本身的应用范围,研究团队还提供了一种全新的方式来实现微纳米机器人集群在复杂血液循环系统中的追踪和导航,为以后的相关研究提供了重要参考;同时微纳米机器人集群和血液环境的相互作用,也为研究提供了一种全新视角。

“散斑是一个很好的工具!除了生物医学,相信之后会有更多生物医学工程研究者对它的成像技术感兴趣。未来我们也想要继续将散斑和功能化的微纳米机器人集群做一个结合,探索它更多应用场景。”王庆龙博士不禁感叹。

除了激光散斑血流成像系统,王庆龙博士还提到在不少医院和研究所都能够看到瑞沃德其他产品。“卖产品不仅是卖产品,有时候服务也是非常重要的一环”,王庆龙博士尤其对瑞沃德的服务给予了极大的认可,并表示瑞沃德及时、全面的服务支持是帮助他们研究顺利进行的重要保障。

跨学科的转变与学习中,兴趣和坚持是最好的老师

作为一名跨学科研究者,是什么促使他跨学科的转变?跨学科的角色转变有哪些?跨学科带来的优势......这一系列的好奇一直在我们内心隐隐作祟。

王庆龙博士娓娓道来他的故事。

王庆龙博士的本科专业是材料化学,当时学校的学习氛围比较浓厚,所以在那个阶段他就已经掌握了一些比较扎实的基础知识。而研究生时期的光驱动微纳米马达研究方向,才是王庆龙博士接触科研的开始,也是他踏入的另一个全新领域。

由于当时知识背景和实验技能的缺乏,王庆龙博士更多的是觉得“新奇”,之后才逐渐认识到微纳米机器人的神奇之处和一些在应用上的无限可能。“所以,初始阶段,很感谢我的导师董任峰教授,不管是技术知识传授还是实验技能培养上,他对我都耐心指导,帮助我快速获得成长。”

随着领域的发展,越来越多人意识到微纳米机器人在生物医学中的应用优势不断凸显,同时也让王庆龙博士意识到,生物医学应用和临床转化其实是微纳米机器人领域下一个非常重要的发展方向之一。

谈及加入张立教授团队,王庆龙博士继续和我们分享他的经历,“导师的研究方向和你的兴趣契合度高,才能最大程度给予你支持和帮助。”

在加入之前,他了解到张立教授已经在这个领域取得了丰硕的成果,“张老师是微纳米机器人集群在生物医学应用中一个非常重要的推动力,他很多前瞻性的工作对我有很大的启发。加上我本身对这个领域研究兴趣不断增加,这些都更加坚定了我加入张老师团队,以及在这个领域继续探索的想法。”

跨学科不仅会带来机遇与挑战,同时也让王庆龙博士从不一样的角度体会着实验者、学习者、团队合作者等不同角色,不断成长。“第一,跨学科让我拥有了更加广阔的视野,学会通过不同角度看待问题并做一种有机结合,帮助我更加全面地了解和解决问题;第二,在跨学科研究中我往往能滋生一些新的思想和方法,这有利于创新能力的培养;第三,不同学科的研究者共同参与同一个研究,这无疑也提升了我的团队合作能力。”王庆龙博士切身地体会到多学科交叉带给自己的收获。“例如这篇文章的另一位作者王乾乾教授,他在算法和控制上就给了我很大的帮助,我们的工作也一直有延续性,合作很顺畅。”

跨学科不仅会带来机遇与挑战,同时也让王庆龙博士从不一样的角度体会着实验者、学习者、团队合作者等不同角色,不断成长。“第一,跨学科让我拥有了更加广阔的视野,学会通过不同角度看待问题并做一种有机结合,帮助我更加全面地了解和解决问题;第二,在跨学科研究中我往往能滋生一些新的思想和方法,这有利于创新能力的培养;第三,不同学科的研究者共同参与同一个研究,这无疑也提升了我的团队合作能力。”王庆龙博士切身地体会到多学科交叉带给自己的收获。“例如这篇文章的另一位作者王乾乾教授,他在算法和控制上就给了我很大的帮助,我们的工作也一直有延续性,合作很顺畅。”

“我的研究还远远没有结束。”王庆龙博士表示未来还将继续深耕自己的研究领域,推动发现微纳机器人在生物医学中的更多具体应用。行而不辍,未来可期。瑞沃德也期待着王庆龙博士将来给大家带来更多更好的研究成果。挑战,同时也让王庆龙博士从不一样的角度体会着实验者、学习者、团队合作者等不同角色,不断成长。“第一,跨学科让我拥有了更加广阔的视野,学会通过不同角度看待问题并做一种有机结合,帮助我更加全面地了解和解决问题;第二,在跨学科研究中我往往能滋生一些新的思想和方法,这有利于创新能力的培养;第三,不同学科的研究者共同参与同一个研究,这无疑也提升了我的团队合作能力。”王庆龙博士切身地体会到多学科交叉带给自己的收获。“例如这篇文章的另一位作者王乾乾教授,他在算法和控制上就给了我很大的帮助,我们的工作也一直有延续性,合作很顺畅。”

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