如夾娃娃機般的機械手,可以在體內採樣和釋放藥物。JeepersMedia@Flickr CC BY 2.0

如夾娃娃機般的機械手,可以在體內採樣和釋放藥物。Credit: [email protected] CC BY 2.0

金屬、陶瓷、3D列印的機器手,這些硬質的材料加上電、油壓或氣壓來作動機械,已經很普遍。但這些傳統形式的設計,對於生物體細胞這種小而柔軟的東西是時常束手無策的,尤其是,如果要將這些小機械手放到生物體內的特定區域做事情,進行醫療行為,那就連電線都不能接,更是困難。於是,就有了軟機器人的開發,基於生物啟發設計,優點在於質量輕、設計簡單、可以在水中或者低溫作用,同時可能模擬人體的功能。

微型結構機械小手可以做什麼?

質量小、材質輕,你腦中出現什麼材料?除了這些,機器手也一定要可以抓放,像夜市常見的夾娃娃機這樣動作,但是要很輕很小,在細胞這種大小的等級,那麼也就不能安裝傳統的「電池」,有什麼方法提供能源呢?科學家想要設計這樣的東西,讓醫師可以遠端操控這種小機械手,到患者體內採樣局部的生物組織,或者有一天,也可以導引這些小機械手,抓著藥物,到特定位置釋放

水凝膠材料設計應用

針對以上的問題,科學家轉向開發水凝膠材料,怎麼說呢?水凝膠材料會因為物理或化學條件而改變,像是熱、光、不同的pH值環境會造成水凝膠收縮膨脹。也就是說,科學家可以藉由控制這種外在環境來操控這種材質,這樣就不需要額外提供電力。不過,水凝膠相當柔軟,不能應用在抓取東西,需要一些材質較硬,但是可生物分解的聚合物補強。美國約翰霍普金斯大學(The Johns Hopkins University)和馬里蘭大學(University of Maryland)的科學家ˊ,近日利用光度圖形(photopattern)技術在水凝膠材料上,開發了一種具有自動折合力和可致動的微結構物,利用兩種材料的系數不同,對溫度不同的反應,來達到目的。如同夾娃娃機的機械手這種抓放的功能,靠著材料在不同酸、熱環境的膨脹收縮功能來完成。然而,這個小機械手在生物體內怎麼移動位置呢?科學家在水凝膠內嵌入氧化鐵(Fe2O3)的奈米顆粒,如此一來,就可以在外部以磁鐵來控制這個小機械手的移動。

材料特性對環境反應不同而作動

這樣的設計結合了光、熱、酸鹼環境,以及水凝膠材料本身對這些改變的反應,影響這個小機械手的表現,如何完成精確的設計呢?應用電腦做數值模擬演算(有限元素分析法,Finite Element Analysis),將這些條件和模型以電腦模型來模擬,科學家研究了水凝膠材料和聚合物補強層設計厚度和材料系數,對這個自動折合的微結構的影響。快來看看這個設計結果!看起來很像中秋節吃的柚子皮,有六瓣,張開的時候很像海星的形狀。若所處環境的溫度在36°C以下,這個結構是折合的,內外層材料不同,當溫度慢慢增加,外層遇熱排出水份,進而收縮,結構就會慢慢打開到完全張開,然後反向折合;這時候,慢慢降溫到低於36°C,外層吸收水份膨脹,結構慢慢張開到完全張開,然後又反向折合。

看來精密設計到了一種程度,要拋棄電池,用基本物理反應來建立作用機制。希望這個微結構的小機械手能更成熟,早日應用到臨床醫療上。

文章參考:American Chemical Society
影片來源:American Chemical Society
圖片來源:JeepersMedia@Flickr CC BY 2.0
原文參考:ACS Appl. Mater. Interfaces



作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。