大湾区协同院企业风采丨国家级期刊报道微纳动力冯林教授研究成果：专注微纳米机器人研发 助力精准医学诊疗技术突破

编者按：微纳动力（北京）科技有限公司（简称“微纳动力”）是由京津冀国家技术创新中心（简称“中心”）和粤港澳大湾区协同创新研究院共同培育的高科技企业，集高科技生命科学研究设备和医疗器械产品的研发、生产、经营于一体，专注于推动微纳米机器人及物理场控技术在生物医学领域的应用落地。近日，国家级综合性学术期刊《科技成果管理与研究》2023年第9期封面文章报道了微纳动力董事长、中心学术合伙人、北京航空航天大学机械工程与自动化学院冯林教授课题组关于微纳米机器人的研究成果。

《科技成果管理与研究》杂志是由科技部主管，专门报道我国国家级科技成果的专刊，具有学术性、实用性、权威性与专业性，以及较高的学术价值和社会影响力。冯林教授连续、多次获得科技部重大项目立项，本次接受杂志独家专访。

机器人技术一直在朝着智能化、精密化、小型化方向发展。北京航空航天大学机械工程与自动化学院“卓越百人计划”冯林教授团队（以下简称“团队”）主要从事基于物理场的非接触式微纳米机器人在癌症诊疗领域的技术研究。团队针对目前放化疗副作用大、药物利用率较低这一关键问题，提出基于活细胞（巨噬细胞）为载体的磁控微纳米机器人技术，突破了传统微纳米机器人很难进入动物体内血液循环系统内部的局限。利用巨噬细胞吞噬载药磁性纳米颗粒，不仅实现了巨噬细胞靶向治疗实体肿瘤的效果，而且实现了单巨噬细胞机器人高精度可控，控制精度小于5 μm。

与此同时，团队在微纳米机器人与微纳操作相关技术领域已经实现了3款技术产业化落地，包括：为肿瘤治疗提供新方案的磁控载药微纳米机器人；行业首创的磁悬浮无接触检测技术的磁悬浮胶囊机器人；可实现超高通量的单细胞筛选效率、大幅加快生物制剂开发速度的光电微流控系统。

        1  开发一款基于活巨噬细胞作为药物递送载体的三维磁控细胞机器人

为了在血液循环系统中抵抗高速血流的冲击并精准到达肿瘤区域完成对肿瘤的杀伤，团队开发出一种能够在高速血流中逆流运动的磁性纳米颗粒集群化控制方法（Vortex-like Paramagnetic Nanoparticle Swarm, VPNS）。这套系统由磁操作平台（MMP）和涡旋状磁性微纳米集群（VPNS）两部分组成。所开发的控制算法能够使MMP在三维空间中产生任意姿态的均匀旋转磁场，在空间磁场的作用下，直径为300 nm的四氧化三铁纳米颗粒由单分散状态聚集为涡旋状集群，并能够在高速血流中保持稳定，VPNS可以执行逆流运动、靶向停泊等功能。当撤去磁场后，VPNS立即解散为单颗粒状态，这不仅实现了真正意义上的磁场引导的主动靶向，还能够避免血管栓塞等副作用的发生。在小鼠肿瘤靶向治疗实验中，应用VPNS的光热效应治疗后，小鼠的皮下肿瘤可见明显消融。将准确剂量的药物偶联至磁性纳米颗粒上，并将单个纳米颗粒聚集成为涡旋状集群，可为肿瘤精准靶向治疗提供一种非常有效的方法。

2  提出利用巨噬细胞基微机器人负载细胞因子改善肿瘤微环境，助力细胞免疫治疗

在先前的研究基础上，团队锐意进取，不断攻关，针对冷肿瘤这种具有高度异质性、高侵袭性、呈“免疫荒漠”状态的医疗难题，使巨噬细胞基微机器人负载细胞因子——可以招募免疫细胞参与杀死癌细胞的信号，在磁控系统的控制下将微机器人靶向到小鼠皮下肿瘤，可控地精准释放负载的细胞因子。结果表明，这种具有专职运输任务的巨噬细胞微机器人磁响应性能良好，并且肿瘤杀伤效果理想，即经过靶向治疗的小鼠肿瘤体积显著减小，并且肿瘤中抗肿瘤作用的细胞比例显著增加，促进肿瘤生长的细胞的比例减小。目前已研发一种普适性强、稳定性好、可应用于多种肿瘤免疫疗法的微纳米机器人，后续研究将聚焦于这种新颖的免疫疗法与传统免疫抑制剂治疗的联合治疗，探究如何影响肿瘤发展与机体长期记忆免疫力，为肿瘤免疫治疗新靶点和新药物的研发提供更多参考，为最终实现肿瘤的持久性治疗提供更多可能。

3  产品化胶囊机器人、光电镊系统、纳米机器人等相关技术

随着微纳机器人对生物粒子（如癌细胞、脱氧核糖核酸分子）的检测、追踪及操控取得了广泛的应用，已经开始针对一些病症开展治疗。但微纳机器人依然存在制备材料生物相容性、驱动控制、制备工艺复杂等问题。针对这些问题，团队结合纳米控制技术、生物学技术、机器人技术，开创了微生物机器人研究领域。为了降低微生物机器人在载药过程中因磁场产生的较大拉应力，避免对细胞膜造成损伤，团队提出了光电镊微流控系统（图3），它对实现微生物机器人的操控搬运与颗粒释放意义重大，并在靶向送药、生物医学、微纳制备等领域具有重要意义。

4  结语

团队重点围绕核心的光场、电磁场控制技术开发的光电微流控系统、磁悬浮胶囊机器人和微纳米机器人等方向积极开展科研攻关，不断产生新的突破，取得阶段性进展，部分技术成果已推广与应用。2022年3月，实验室的胶囊机器人、光电镊、纳米机器人等项目在微纳动力（北京）科技有限责任公司转化落地。2021年，“磁控胶囊机器人”项目获得第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛本科生创意组全国第五名和全国总决赛金奖，并于2022年获得“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛金奖等一系列奖项。纳米机器人靶向给药技术也获得了中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、北京航空航天大学“冯如杯”学生学术科技作品竞赛等一系列大赛的奖项。

专家简介

冯林，北京航空航天大学“卓越百人计划”教授，博士生导师，国家青年长江学者，北京市杰出青年科学基金获得者，北京市科技新星。入选2011年日本机械工程师学会优秀年轻学者、2013年日本学术振兴会（JSPS）学者、2020年电气电子工程师学会（IEEE）国际微纳米机器人技术委员会理事。目前担任Bio-Design and Manufacturing、Frontiers in Robotics and AI、Cyborg and Bionic Systems副主编，以及Bioengineering客座副主编，兼任中国机械工程学会生物制造分会组织委员会副主任委员、中国微米纳米技术学会微纳机器人分会理事。曾任国际机器人会议IEEE机器人和自动化国际会议（ICRA）、智能机器人与系统国际会议（IROS）的编委、分会主席。在International Journal of Robotics Research、Small、Lab on a chip、APL等期发表论文120篇，其中SCI期刊论文60余篇（封面文章8篇，高被引1篇）。出版教材《微纳米机器人概论》及英文专著共4部。