斯圖加特-馬克斯普朗克智能系統研究所身體智能系的一組科學家通過裝備將機器人與生物學結合起來：細菌與人工成分構建生物雜交微型機器人。首先，如圖1所示，研究小組將幾個納米脂質體附著在每個細菌上。在它們的外圈，這些球形載體包裹著一種材料(ICG，綠色粒子)，這種材料在近紅外光照射下就會融化。再往中間，在水核內部，脂質體包裹著水溶性化療藥物分子(DOX)。
研究人員附著在細菌上的第二種成分是磁性納米顆粒。當暴露在磁場中時，氧化鐵顆粒充當了這種已經高度活躍的微生物的頂部助推器。這樣，就更容易控制細菌的游動——這是一種面向體內應用的改進設計。與此同時，將脂質體和磁性顆粒與細菌結合在一起的繩索是一種非常穩定且難以打破的鏈霉親和素和生物素復合物，這是幾年前開發的(https://www.nature.com/articles/s41598-018-28102-9)，在構建生物雜交微型機器人時很有用。
大腸桿菌是一種快速而多才多藝的游泳者，它可以在液體和高粘性組織等各種物質中穿梭。但這還不是全部，它們還擁有高度先進的傳感能力。細菌會被化學梯度吸引，比如低氧水平或高酸度——這兩種情況在腫瘤組織附近都很常見。通過近距離注射細菌治療癌癥被稱為細菌介導的腫瘤治療。微生物流向腫瘤所在的地方，在那里生長，從而激活患者的免疫系統。一個多世紀以來，細菌介導的腫瘤治療已經成為一種治療方法。
在過去的幾十年里，科學家們一直在尋找進一步增強這種微生物的超能力的方法。他們給細菌配備了額外的成分來幫助戰斗。然而，添加人工組件并非易事。復雜的化學反應在起作用，而顆粒的密度率在細菌上起著重要作用，以避免被稀釋。斯圖加特的這支球隊現在已經把門檻提高了不少。他們成功地為100個細菌中的86個同時配備了脂質體和磁性顆粒。
科學家們展示了他們如何成功地在外部引導這種高密度溶液通過不同的過程。首先，通過一個l形的狹窄通道，每一端有兩個隔間，每個隔間里有一個腫瘤球體。第二種是更狹窄的類似小血管的裝置。他們在一邊添加了一個額外的永久磁鐵，展示了他們如何精確地控制裝載藥物的微型機器人朝向腫瘤球體。第三，更進了一步，該團隊帶領微型機器人通過一種粘性膠原蛋白凝膠(類似腫瘤組織)，這種凝膠有三個硬度和孔隙度，從軟到中到硬。膠原蛋白越硬，蛋白質鏈網越緊，細菌就越難找到穿過基質的路。研究小組表明，一旦他們加入磁場，細菌就會成功地導航到凝膠的另一端，因為細菌有更高的力。由于不斷排列，細菌找到了一條穿過纖維的路。
一旦微型機器人聚集到所需的點(腫瘤球)，一個近紅外激光產生溫度高達55攝氏度的射線，觸發脂質體的融化過程和封閉藥物的釋放。低pH值或酸性環境也會導致納米脂質體破裂——因此藥物會自動在腫瘤附近釋放。
“想象一下，我們將把這種基于細菌的微型機器人注射到癌癥患者的體內。有了磁鐵，我們就能精確地把粒子引向腫瘤。一旦足夠多的微型機器人包圍腫瘤，我們就用激光照射腫瘤組織，從而觸發藥物釋放。現在，不僅免疫系統被觸發醒來，而且額外的藥物也有助于摧毀腫瘤，”Birgül Akolpoglu說。
作用，而不是在整個身體內。”
“具有醫療功能的細菌生物混合微型機器人有一天可以更有效地對抗癌癥。這是一種新的治療方法，離我們今天治療癌癥的方式不遠了，”身體智能部門的負責人、該出版物的最后一位作者Metin Sitti教授說。“醫用微型機器人在尋找和摧毀腫瘤細胞方面的治療效果可能是顯著的。我們的工作是基礎研究的一個很好的例子，旨在造福我們的社會。”