加州理工团队研发尿素驱动气泡机器人，可自主导航精准引爆肿瘤

本文是专业学术论文解读，不做医疗建议。

电影《神奇旅程》中，几位医生缩小到微生物大小，驾驶飞船进入一位科学家大脑，为其进行血管手术后迅速撤离。

半个世纪以来，这始终是医学界的一个终极梦想：如果药物不再是盲目地随血液流淌，而是像有导航系统的鱼群一样，精准地游向病灶，癌症治疗将会发生怎样的质变？

近日，加州理工学院的高伟教授团队在 Nature Nanotechnology 发表成果，他们开发了一种完全生物可吸收的酶促微泡机器人，这群机器人能够以人体代谢废物尿素作为动力，在复杂的血管群中自主“嗅寻”肿瘤的气息。最令人称奇的是，当它们抵达肿瘤时，研究人员只需轻轻按下一道超声波指令，这些机器人便会像微型深水炸弹一样定向“爆破”，将药物精准投送进肿瘤内部。

研究结果同样令人振奋，当团队为患病小鼠注射气泡机器人进行治疗时，在 21 天内，其膀胱肿瘤的重量比仅接受常规药物治疗的小鼠减轻了约 60%。

“这个气泡机器人平台虽然简单，却集成了治疗所需的一切要素：生物相容性、可控运动、成像引导，以及能帮助药物深层渗透的按需触发机制。我们的目标始终是让微型机器人走向真正的临床应用，而这种机器人设计正是朝该方向迈出的重要一步，”论文第一作者唐松松表示。他在加州理工学院高伟实验室担任博士后期间完成了这项工作，目前已加入中国科学技术大学担任教授。

变废为宝，用尿素驱动

具有自主运动能力的微型和纳米机器人已成为生物医学领域的变革性工具，它们能够导航至难以到达的区域，从而实现精准干预，并在复杂的生物环境中发挥更大的作用，例如感测生物标志物、清除血栓，或将药物精准递送至肿瘤病灶。

随着领域的飞速发展，科研界对机器人设计寄予了更高期待：要求系统不仅要具备强生物相容性，更需兼具智能化、多功能化与高度集成化。

此前，高伟团队曾利用超声成像和磁力引导，在动物模型中投放过微型 3D 打印机器人，使其在肿瘤处降解并释放抗癌药物。然而，那些机器人需要在配备专门设备的无尘室中制造，其结构是由包裹微气泡的果冻状聚合物（水凝胶）外壳组成。虽然外壳有助于推进并在体内提供出色的成像对比度，但制造工艺较为复杂。

“早期开发的 3D 打印微型机器人虽然在系统工程上表现优异，但面向体内应用时，我们逐渐认识到两个关键问题：一是结构需要进一步简化，二是成本必须大幅降低。”高伟告诉 DeepTech，“气泡方案正是在此背景下进入我们视野的。尽管气泡形态看似简单，但它在医疗领域中已有广泛应用基础，例如超声成像。此外，气泡还具有易于降解的特性，这使其更符合临床实际应用的需求。”

因此，团队开发出了一套制造这种极简气泡机器人的方法。利用超声波探头震荡含有牛血清白蛋白（BSA，实验室常用的标准动物蛋白）的溶液，从而产生了数以千计带有蛋白外壳的微气泡。

随后，团队利用了蛋白外壳的另一个特性：其表面分布着丰富的氨基。氨基是由碳氮键构成的原子团，非常容易进行化学修饰。通过结合这些氨基，研究人员创造出了两种具有不同运动控制机制的微型机器人，而诸如阿霉素（Doxorubicin）之类的抗癌药物可以成功地结合在两者的表面。

（来源：上述论文）

研究人员在两款气泡机器人的表面都修饰了脲酶，可分解生物体内天然存在的尿素（如血液、肿瘤微环境中的尿素），产生氨和二氧化碳气体。由于脲酶在气泡机器人表面的分布并不均匀，随时间推移，这些产物会在气泡的一侧聚集，产生浓度偏差。这种不对称的化学环境为气泡提供了净推力，驱动微型机器人前进。

“确实，让尿素当燃料听起来有些反直觉。在大多数人的认知里，尿素只是代谢产生的废物。但从化学角度来看，它在生物体内浓度极高，性质也非常稳定。”高伟补充道，“我们的核心思路是，如果机器人能够直接从体内环境中获取能量，实现自主驱动，将比完全依赖外部能量输入（如超声、磁场等）更加理想。因此，我们尝试通过酶促反应，将尿素转化为可用于产生微尺度推动力的能量，从而使机器人具备自主运动能力。这种方法不仅简化了系统设计，也提高了应用的实用性，机器人不再需要复杂的外部驱动装置，而是借助体内已有的燃料自主运行，更贴近未来临床实际应用的需求。”

面对尿素作为燃料动力是否足以支撑气泡机器人运动的疑问，高伟也给出了肯定的答案。

实验数据显示，得益于生物环境中尿素的高丰度，机器人并未出现动力衰减的现象。这种推进力足以克服生物流体的粘滞阻力，支撑机器人跨越微观尺度的“长途跋涉”抵达病灶。这种持续、稳定的动力表现，彻底打破了人们对酶驱动机器人动力薄弱、速度缓慢的固有认知，证明了其作为临床药物递送载体的可行性。

磁控到智能，工程受控与仿生智能互补

第一个版本为磁控型气泡机器人。其核心思路在于结合超声实时成像与外部磁场控制，实现对机器人在体内运动轨迹的精准导引。通过体外成像定位，研究人员能够操控机器人定向移动至目标区域，如肿瘤或炎症部位，从而完成治疗任务。该方案侧重于外部工程控制，强调定位与操控的精确性。

但研究团队希望更进一步。“我们想让机器人变得更聪明。”

通常情况下，肿瘤细胞代谢会产生大量过氧化氢，比正常组织高 10-100 倍，过氧化氢酶能感知这个浓度差，引导机器人向肿瘤前进。

因此，第二个版本旨在构建具备环境感知能力的智能型气泡机器人。此版本无需依赖外部控制或成像系统，而是利用机器人自身对肿瘤微环境中特定化学信号（如过氧化氢）的感知能力，使其能够沿着化学浓度梯度自主向肿瘤区域迁移。该设计突出了机器的智能性与自主性，体现了对生物微环境的响应与自适应特性。

“在这种情况下，你不需要任何成像，也不需要任何外部控制，机器人足够聪明，能自己找到肿瘤，” 高伟解释道，“气泡机器人的自主运动，结合其感知过氧化氢梯度的能力，实现了这种我们称之为‘趋化性肿瘤靶向’的导航。”

研究人员通过外部磁场，能让机器人在血管、膀胱等狭窄通道里转弯。实验中，在模拟血管的微流道里，磁控能让机器人的“走偏率”从 50% 降到 5% 以下。

内部微气泡则能增强超声信号。除了制造简单，气泡内部的空气与周围组织形成的声阻抗差，天然就是绝佳的超声造影剂。研究人员在屏幕上能清晰看到机器人的运动轨迹。

当磁场难以精准覆盖时（比如深部肿瘤），机器人也能靠过氧化氢浓度梯度自己找目标，在小鼠原位膀胱肿瘤模型中，气泡机器人在肿瘤区域的富集量是正常膀胱组织的 4.2 倍。

“这两种方案本质上是互补的，一个偏向于工程受控，强调人工干预的确定性；另一个偏向于环境感知，强调仿生智能的自主性。这让我们在面对不同的临床场景时，有了更灵活的战术选择。”

此外，该气泡机器人的稳定性表现优于预期。在体外条件下，例如在 4℃ 冰箱中低温储存时，其气泡结构可保持完整至少一个月，核心功能均未发生明显衰减。

在真实生物体内环境中，它也表现出较高的稳定性，足以维持足够长的时间以完成将药物递送至目标区域的任务。同时，由于设计初衷是实现精准递送后及时降解，机器人并不需要在体内长期存留。“这种需要时稳定、完成后降解的特性，恰好符合我们对于理想递送系统的期待，既保证递送过程可靠，又避免在体内产生不必要的残留。”

90% 高效释药，肿瘤减重 60%

一旦气泡机器人抵达肿瘤位置，其携带的药物可实现缓慢而稳定的释放。此外，研究人员也可以通过施加超声来主动触发并加速药物释放，从而在目标区域内实现更快、更集中的给药。

超声在此过程中发挥双重作用：一方面，它可作为外部触发信号，促进药物快速释放；另一方面，气泡在超声作用下破裂时产生的力学效应，能够增强药物在肿瘤组织中的渗透能力。这种“气泡爆炸”效应为药物递送提供了额外的动力，有助于药物更深入地进入肿瘤组织，提升治疗效果。

实验显示，超声触发的药物释放率达 90% 以上，且正常组织区域几乎没有药物泄漏。气泡机器人也在超声作用下会发生“爆炸”，产生的机械力能“撕开”肿瘤基质的小缝隙，让药物穿透深度提升 2.5 倍。在三维肿瘤球体实验中，药物能从表面深入到球体内部 100 μm（相当于 3 个细胞层），而普通药物只能停在表面。

当科学家为患病小鼠注射气泡机器人进行治疗时，在 21 天内，其膀胱肿瘤的重量比仅接受常规药物治疗的小鼠减轻了约 60%。

（来源：上述论文）

高伟介绍，选择膀胱癌作为动物实验模型，主要基于以下几个方面的考量：

首先，膀胱环境在生理上非常适合本研究。膀胱内尿素浓度较高，且存在丰富的生物流体，为基于尿素驱动的气泡机器人提供了理想的天然工作环境。

另一方面，膀胱癌目前的临床治疗存在显著挑战。传统灌注疗法难以使药物有效渗透至肿瘤组织内部，治疗效果受限。这款气泡机器人具备自主运动与精准定位能力，配合超声增强的药物渗透效应，正好能够针对这一痛点提供潜在解决方案。”

“因此，膀胱癌模型既具备利于技术验证的生理条件，又代表着存在明确未满足临床需求的疾病类型，使其成为一个具有代表性的理想起点。当然，这项技术的应用未来并不局限于膀胱癌。”

目前，高伟团队已在实验室中开展多种不同部位肿瘤模型的探索。“膀胱肿瘤仅是我们选择的第一个起点模型。”

关于其应用场景，在高伟看来，该机器人本质上是一个递送平台，并不局限于单一疾病。其核心优势在于主动运动、精准定位及可控释放，因此不仅可用于递送传统药物，也可搭载基因药物、免疫制剂或其他治疗分子，未来还可扩展至诊断与成像领域，例如递送成像增强粒子以改善医疗诊断。

在下一步研究计划中，高位团队计划从以下几方面推进：一是将该平台应用于更多疾病模型；二是在同一疾病模型中深化研究，提升技术成熟度，包括在更大的动物体上进行验证。最终目标是推动该技术向临床转化，实现在人体中的应用。

1.Tang, S., Han, H., Ma, X. et al. Enzymatic microbubble robots. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02109-6

排版：胡莉花