3D

Oct 05, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5875 (2022) Цитировать эту статью

11 тысяч доступов

25 цитат

14 Альтметрика

Подробности о метриках

Микророботы привлекли внимание ученых благодаря своим уникальным возможностям выполнять задачи в труднодоступных местах человеческого тела. Микророботы могут точно приводиться в действие и маневрировать по отдельности или в группе для доставки грузов, отбора проб, хирургии и визуализации. Кроме того, микророботы нашли применение в природоохранной сфере (например, в очистке воды). Кроме того, недавние достижения в области трехмерных (3D) принтеров позволили изготавливать микророботов с высоким разрешением и сократить время проектирования и производства для пользователей с ограниченными навыками микропроизводства. Здесь рассматриваются новейшие конечные области применения 3D-печатных микророботов (от экологических до биомедицинских), а также краткое обсуждение возможных методов приведения в действие (например, на борту и за его пределами), а также практических технологий 3D-печати для изготовления микророботов. Кроме того, в качестве перспективы на будущее мы обсудили потенциальные преимущества интеграции микророботов с интеллектуальными материалами и возможные преимущества внедрения искусственного интеллекта (ИИ), а также физического интеллекта (ПИ). Более того, чтобы облегчить перевод микророботов со стола на кровать, подробно рассматриваются текущие проблемы, препятствующие клиническому переводу микророботов, включая препятствия входа (например, атаки иммунной системы) и громоздкие стандартные процедуры тестирования для обеспечения биосовместимости.

Развивающаяся наука о машинах и роботах, изготовленных в масштабе микро- и нанометров (микро- и нанороботы), значительно продвинулась за последнее десятилетие1,2. Хотя новые методы аддитивного производства (т. е. методы трехмерной (3D) печати) превосходят ограничения, связанные с размером, функциональные возможности этих роботов улучшились благодаря использованию интеллектуальных материалов (т. е. материалов, предназначенных для реагирования на определенные условия, такие как как конкретный pH или уровень белка), более точные методы срабатывания (т. е. встроенные и внешние методы), а также интеграция с физическим интеллектом (PI), а также искусственным интеллектом (ИИ). Соответственно, эти роботы становятся одним из новых изобретений для биомедицинских приложений, занимая позицию следующего потенциального сменщика парадигмы в минимально инвазивной медицине3 (например, микрохирургия4, а также обнаружение, манипулирование, сборка и изоляция объектов5,6), целенаправленно доставка клеток/лекарств7,8,9,10 и маневренная навигация в вязких средах11 (например, биологических жидкостях, таких как кровь) для целей визуализации/сканирования12,13,14,15,16,17.

По определению, 3D-принтеры производят объекты послойно на основе системы автоматизированного проектирования (САПР)18,19,20,21,22. 3D-печать внесла значительный вклад в различные области биомедицины, от микрофлюидики до лабораторных технологий и технологий «орган-на-чипе»23,24,25,26,27,28,29,30. По сравнению с традиционными методами изготовления микророботов (например, методами литографии31,32, методами осаждения с использованием электрохимии33,34,35 или физических паров36,37, методами сборки38, технологией свертывания39, химическим нанесением покрытия40 и методом деформационной инженерии41), технологии 3D-печати предлагают относительно экономичный процесс с быстрыми интервалами между изменениями конструкции. Кроме того, на 3D-принтере можно печатать широкий спектр материалов, включая металлы42,43, полимеры (например, пластики и гидрогели)44,45,46,47,48,49, биочернила (т.е. биосовместимые материалы со встроенными клетками или без них)50 ,51,52 и композиты53,54,55. Таким образом, сравнительно высокая доступность и более высокий уровень воспроизводимости укрепляют позиции 3D-печати как нового метода производства микророботов даже для пользователей, не обладающих превосходными навыками микропроизводства1,56,57.

В будущем ИИ не только сможет ускорить разработку микроробота за счет более точной оптимизации параметров конструкции, чем человек-эксперт (например, определяя оптимальные размеры для минимизации трения при плавании в определенных биожидкостях), но также может сыграть роль в создании материала. -выбор на основе химических свойств целевого сайта1,58,59. Кроме того, искусственный интеллект можно использовать для прогнозирования возможности печати дизайна и настройки параметров 3D-печати для достижения наилучшего качества печати (например, путем регулировки интенсивности света (в методах, индуцированных светом) или давления/температуры (в методах, основанных на экструзии)) . После производства ИИ облегчит управление микророботами in vitro/vivo, регулируя параметры срабатывания, чтобы гарантировать, что микророботы достигнут целевого участка, несмотря на непредвиденные изменения в окружающей среде (например, непредвиденное изменение скорости кровотока в сосуде). PI, с другой стороны, может позволить микророботам действовать независимо, чувствуя и адаптируясь к среде, в которой они работают (например, высвобождение лекарств при определенном уровне pH)60. Однако, несмотря на все достижения в производстве и использовании микророботов, перевод этих медицинских устройств со стола на кровать пока остается сложной задачей. Хотя экономически эффективное массовое производство микророботизированных устройств по-прежнему остается проблемой, которую предстоит решить, микророботам приходится сталкиваться с препятствиями на пути проникновения в организм к целевому участку (например, быть атакованными и удаленными иммунной системой организма)61 . Кроме того, текущие стандарты испытаний для обеспечения безопасности и функциональности микророботов требуют громоздких и дорогостоящих процедур, что задерживает ранний перевод микророботов для коммерческого клинического применения (рис. 1)62.