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医疗纳米机器人行业研究

2021-03-01 17:40:23 3970

一个

行业分析

01

行业总结

1.1纳米机器人的定义

“纳米机器人”是机器人工程中的一项新技术,纳米机器人的开发属于“分子纳米技术(MNT)”范畴。一般认为,纳米机器人是基于分子水平的生物学原理,应用纳米尺度的生物学原理开发可编程分子机器人。

它是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物,其组分的尺度达到纳米水平。简单来说,就是借助最先进的芯片和纳米技术,在原子层面精确构建和操纵物体的机器人。

纳米机器人是一个高度集成的系统,涉及分子仿生学和电子控制技术。它需要一个驱动单元、一个控制单元和一个传感单元,对于不同的功能有相应的工作单元,如靶向治疗的药物储存和输送单元。纳米医学技术是一门交叉学科,需要化学、生物、医学、计算机科学和物理等多个领域的合作。

1.2纳米机器人的发展历史

“纳米机器人”的概念是由1959年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼提出的。他认为未来人类有可能建造出分子大小的微型机器,可以用分子甚至单个原子作为建筑构件,在非常小的空间内建造物质。纳米技术是由科学家诺里奥·谷口在1974年提出的,随后纳米生物学和纳米机器人就应运而生了。

自从1981年G.Binnig和H.Rohrer在IBM苏黎世实验室发明扫描隧道显微镜以来,人类从未停止过对纳米机器人的研究和发明。

1990年,中国著名学者周海中教授在他的文章《论机器人》中预言,到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

北京理工大学机电工程学院智能机器人研究所研究员王华平指出,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合;第二代纳米机器人是由具有特定功能的原子或分子直接组装而成的纳米级分子器件;第三代纳米机器人将包括纳米计算机,这是一种人机对话的设备。目前纳米机器人的研发已经从第一代发展到第二代,而第三代还处于试探阶段。

1.3纳米机器人的基本结构

动力组件为纳米驱动器或分子马达,如无机材料制成的纳米马达、病毒蛋白线性VPL马达、ATP马达、DNA马达、鞭毛马达等。结构构件和连接件由无机纳米材料或生物物质构成,如TNC、DNA接头、蛋白质等。;该传感器由能够感应生化信号的纳米传感器组成。第三代纳米机器人甚至包括控制器或生物计算机。

生物传感器和电源组件是纳米机器人的重要组成部分,是完成任务的关键。目前,纳米机器人使用的传感器有两种:化学传感器和温度传感器。其中,纳米化学传感器可以有效检测人体内一些具有特定结构的生物大分子,帮助医生诊断疾病;身体出了问题,焦点会在温度上发生变化。温度传感器感应后,可以有效帮助医生确定患者的患病部位,进而为药物的准确运输提供指导,防止对身体其他健康部位的损害。

目前,纳米机器人的驱动模式可分为两种:借助光、声波和电磁场的物理驱动模式和包括气泡推进和仿生鞭毛推进在内的化学驱动模式。电磁场、仿生鞭毛推进驱动方式等物理方法是学术研究的重点。因此,选择一种新的具有良好生物相容性和长期自主运动特性的纳米粒子驱动模式来保证机器人在体内安全、连续地运行是一个巨大的挑战。武汉理工大学关建国教授的团队制备了一种“双面神”纳米粒子,前后由不同的化学物质组成,可以根据不同情况实现各种智能运动。

就控制系统而言,如果没有外磁场,运动是随机的,但经过磁场控制后,可以实现定向运动,甚至可以实现纳米机器人群体的规则运动。另外,医用纳米机器人首先要解决的是不受血液或胃酸中体液的影响,在数百万个细胞中准确定位患病细胞;目前,最重要的是利用体外“光声层析”对纳米机器人进行实时定位,从而解决定位和导航问题。

1.4纳米机器人的应用场景

除了医学领域,纳米机器人在其他领域也有着广阔的应用前景。

1.5纳米机器人的类型

根据驱动机制,现有的微纳机器人可以分为自驱动(自动)和场驱动(非自动)两种。

自驱动微纳机器人是指微纳机器人本身可以从流体环境中获得动力,从而产生运动。根据获得动力的方式不同,可分为自电泳驱动、自扩散驱动、自热泳驱动、气泡驱动等。外场驱动的微纳机器人是指一种只能在外场作用下运动的微纳机器人;它们无法从周围环境获得动力,所以在没有外加电场的情况下,这类微纳机器人不会产生运动(不包括布朗运动);根据外场的性质,外场的驱动方式可以分为磁场驱动、声场驱动、光学驱动等。

1.6医用纳米机器人的研发

近10年来,医用纳米机器人的研发取得了许多可喜的成就。2006年,东京大学成功组装了两个分子机器人,形成了一个分子机器复合体。2010年5月,美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由DNA分子组成的纳米蜘蛛机器人,它可以沿着DNA的轨迹自由行走、移动、转动和停止,并可以在二维物体表面自由行走。2012年7月,佛罗里达大学的科学家开发出了一种能100%杀死丙型肝炎病毒的纳米机器人。2013年6月,日本东北大学的科学家发表了一份研究报告,指出一种能够破坏癌细胞的纳米机器人已经研制成功。2013年12月,韩国全南大学的科学家开发了一种纳米机器人,可以诊断和治疗结肠直肠癌、乳腺癌、胃癌和肝癌等高危癌症。2014年4月,以色列贝勒大学的研究人员成功建造了一个医用纳米机器人,它可以根据编程的程序在移动物体中执行逻辑操作。2016年,加拿大蒙特利尔理工大学牵头研发了一种纳米机器人,该机器人使用鞭毛,携带氧浓度测量传感器和药物,可以在人体血管中运行,向肿瘤细胞精确输送抗癌药物。以色列科学家研制出一种微型纳米机器人,可以对人体进行“巡逻”,进行一系列计算,检查其所在位置信使RNA (mRNA)上的疾病指标,锁定病灶后自动释放其携带的药物。2017年,东京大学和东京医科齿科大学的一个研究小组“硬币”成功开发了一种表面覆盖有葡萄糖的纳米机器人(直径只有30纳米)。脑血管的特异性蛋白质与葡萄糖结合后,携带的药物可以通过血脑屏障转运到大脑。结果表明,效果比常规药物高100倍左右。2018年1月,德国慕尼黑工业大学的科学家表示,他们已经将电场驱动应用于纳米机器人,用于医疗诊断和药物开发。2019年,纳米医学技术专家、苏黎世联邦理工学院和麻省理工学院助理教授西蒙·舒尔勒(Simone Schuerle)的团队成功发明了一种由3D打印、镍钛双涂层涂覆、外部磁场控制的螺旋微型机器人。(长度约36微米,体积仅为细胞大小),可将纳米粒子药物输送到肿瘤等病变组织,实现更精确的靶向给药;研究结果表明,其效果是普通运输方式的两倍。2019年7月,加州理工学院的研究人员(武、、杨、彭虎、杨莉、杨素云、诉王、魏高)宣布了一项重大科技突破:利用光声层析技术实时控制纳米芯片机器人。让它们准确到达人体的某个部位(比如肠癌患者的肠道肿瘤),然后让

2017年7月,以色列理工学院罗素·贝里纳米技术研究所、德国马克斯·普朗克智能系统研究所和德国斯图加特大学物理化学研究所的研究人员制备了一种可以在凝胶中运动的微螺旋推进器纳米机器人(透明质酸凝胶溶液)。它由硅和镍制成的细丝组成,直径为70纳米,长度为400纳米,在体外由磁场驱动。2017年8月,英国杜伦大学、美国莱斯大学和北卡罗来纳州立大学的科学家开发了一种可以被光激活的纳米机器人:当被光激活时,这种纳米机器人可以钻入癌细胞,并在几分钟内杀死它们。2017年11月,香港中文大学张莉教授和曼彻斯特大学科斯塔洛斯教授的研究团队推出了第一款可生物降解的纳米机器人,该机器人由螺旋藻和铁磁涂层制成。2018年1月,11名来自不同国家的学者合作,利用纳米级3D打印制作螺旋机器人,并为其添加光滑涂层和磁性材料,然后利用磁场将微型机器人推入眼睛;结果表明,它在不到30分钟的时间内成功到达视网膜,比相似大小的粒子通过眼睛的速度快10倍。2018年4月,哈尔滨工业大学的张广玉教授、李龙秋教授与美国加州大学圣地亚哥分校的王教授合作,首次发明了振荡磁场驱动的镍-银-金-银-镍多金属复合结构。纳米机器人由多个柔性铰链组成,通过交替手臂,其运动速度可以达到每秒60个身长,是其他类似柔性纳米机器人的10倍左右,可以广泛应用于医学领域

回国后,2018年2月,国家纳米科学技术中心的赵、丁宝全、聂和亚利桑那州立大学的博士开发了一种基于DNA折纸技术的纳米机器人,能够利用凝血酶精确定位肿瘤细胞。阻断血液供应影响肿瘤生长和转移,从而有效杀伤肿瘤细胞,在各种小鼠肿瘤模型中均取得良好效果,且不引起明显的免疫反应;这项技术可以用于许多类型的癌症。2018年,哈尔滨工业大学青年教师吴副教授与德国马普智能系统研究所P.Fischer教授合作,首次实现了纳米机器人在眼睛玻璃体中可控高效的集群运动。研究小组首次提出了一种涂有纳米液体润滑层的螺旋磁性纳米机器人(直径只有500纳米),它可以在外部磁场的引导下有效克服生物分子的粘附,完成长距离可控的集群运动到达指定地点。2019年5月,南京师范大学毛春教授研制了一种血小板膜修饰自移动多级孔隙纳米机器人,用于连续靶向给药,实现短期溶栓和长期抗凝:在体外试验条件下,纳米机器人在血栓中的穿透深度约为无运动能力颗粒的3倍;纳米机器人在血栓中的滞留率从15%增加到26%左右。2020年3月,浙江大学医学院第二附属医院/转化医学研究所研究员周敏研制出一种微纳机器人,以微藻为活体支架,“穿上”磁性涂层,靶向输送到肿瘤组织。利用光合生物的光合作用与微纳游动体杂交,成功改善了肿瘤缺氧微环境,有效实现了磁共振/荧光/光声三模医学图像指导下的肿瘤诊断和治疗。2020年7月,哈尔滨工业大学何强教授成功研制出超声波驱动的液态金属针状游泳纳米机器人。以液态金属镓为材料,结合纳米孔模板的塑性成型和细胞膜包覆技术,实现了在白细胞膜表面批量制造伪装成液态金属镓的针状游动纳米机器人。它不仅具有变形和融合的能力,还能克服血液污染,完成癌细胞的主动给药和光热治疗。2020年8月,唐本忠院士、蔡林涛院士、张鹏飞院士、龚平院士利用自然杀伤(NK)细胞膜包裹具有近红外双区荧光特性的聚集诱导发光(AIE)有机半导体骨材料,研制出NK细胞仿生AIE纳米机器人,并将其应用于胶质瘤的诊断和治疗——高对比度(T/NT比~60)的胶质瘤诊断和光热治疗的有效抑制。

1.7医用纳米机器人的工作原理

纳米医疗机器人的输入端是人体和一些外部信号,经过处理后会产生相应的输出。比如在输入端,磁场、超声波、温度、光感等可以控制和驱动纳米机器人;而输出的信息可以是pH值的变化,生物标志物的释放,甚至是微小的气泡,可以用来表征疾病。经过处理后,我们可以获得诊断信息,甚至可以将纳米机器人用作癌症诊断和更好治疗的医疗工具。

02

行业发展现状

2.1欧美日领先,中国是后起之秀

从R&D机构数量、研究热情和起步时间来看,欧美等西方国家一如既往地是尖端技术的领导者和实践者;中国国家纳米科学中心成立后,学术界对医学领域使用的纳米机器人的研究不断涌现,各大研究所和大学也越来越大。哈工大、沈阳自动化学院都树立了旗帜,高质量、原创的研究成果加速了国内外缺陷的补救。

从市场区域分布来看,北美是纳米机器人的主要市场,其纳米机器人市场的复合年增长率预计为12.2%——预计到预测期末将从2016年的550亿美元增长到730亿美元;欧洲是纳米机器人的第二大市场;由于这项技术的应用需要医疗机构大量的资金投入,也需要加强员工的培训,亚太地区有望成为纳米机器人增长最快的市场。

2.2特定场景的研究范围不断扩大,肿瘤成为最热门的细分方向

通过对上述文献的梳理,我们发现到目前为止,学术界对医用纳米机器人的研究已经不再局限于单一的应用领域,包括癌症治疗、眼科治疗、医学诊断和药物开发等。但由于癌症发病率高,治疗难度大,且无根治手段,学术界从最初对医用纳米机器人的研究开始,就将其应用场景锁定在癌症治疗方向,在癌症治疗纳米机器人的研究上取得了更多进展,并取得了许多突破性成果。

2.3少量商业化,价格逐渐接近大众

目前世界上还没有能真正通过血液系统进入人体的微纳机器人。商业化的医用微型机器人只有胶囊机器人为代表,主要用于胃镜等领域,但其应用领域相对有限。2017年,中国磁控胶囊胃镜机器人问世,一举打破了国外厂商在胶囊内镜领域长达20多年的垄断,也使中国在纳米机器人商业化方面领先世界。其产品已出口到英国、德国、韩国、日本、意大利、西班牙等国家和地区,并获得60多项国际发明专利。通过查询相关网站,使用这款机器人进行检查的价格在几千元左右,较之前的1万元价格大幅下降;但是在国内还没有纳入医疗保险体系,需要自己付费。

03

产业发展的动力

3.1精准医疗计划是方向指南,两者有非常高的收敛点

准确的医学可以通过更准确的诊断来预测潜在疾病的风险,提供更有效、更有针对性的治疗,预防或干预某些疾病的发生。在这种背景下,各种新技术和产品不断涌现,技术进步将基因组测序、靶向药物开发、细胞免疫治疗、基因治疗等推向了一个新的阶段。从医学模式来看,精准医学改变了过去简单的医患互动,强调对患者进行全面的观察和诊断,提出不同的、个性化的医学解决方案,这与医用纳米机器人的概念不谋而合。据中国商业产业研究院预测,2022年精密医疗市场规模有望超过1000亿元;吉邦咨询预计2025年全球市场将达到881亿美元。精密医疗计划为加速纳米机器人的商业化提供了强大的后续动力。

3.2医用纳米机器人优势明显,潜力巨大

就其优点而言:首先,纳米机器人体积很小,肉眼无法观察到,因此可以在体内自由活动,患者更容易得到治疗;其次,正常手术需要动刀才能留下疤痕,而纳米机器人完全不需要,对人体伤害较小;第三,纳米尺度范围内的操作可以由纳米机器人完成,这将使操作更加智能化;最后,纳米机器人最大的特点是定向治疗。对身体进行诊断后,只对有问题的部位进行治疗,不会对身体其他正常部位造成损伤。综上所述,可以看出,在医疗领域使用纳米机器人后,不需要小题大做治病,也不会有副作用,一定会改造医疗行业。

3.3生存观念发生显著变化,优质个性化医疗是趋势

在消费升级、健康管理意识提高和改革、对新医疗技术的追求、对新事物接受程度的提高等综合效应下,患者对无痛、无创、随诊随治的需求,希望治疗方案只治疗患病部位,不伤害身体好的部位。高质量、个性化的医疗催生了医用纳米机器人的巨大应用潜力。

3.4技术呈现爆炸性进步,未来技术成为现实

医用纳米机器人涉及化学、生物、医学、计算机科学和物理等多门交叉学科。它主要由机器人和纳米技术组成。机器人逐渐大规模商业化,相关核心技术不断突破;另一方面,学术界对纳米技术的研究越来越热情,成果越来越丰硕。在诸多因素的帮助下,相关科学技术的核心技术呈现爆炸性突破,纳米机器人的发展迎来了前所未有的机遇期,医用纳米机器人从实验结果变成现实。

行业规模

01

国际市场规模

BCC研究预测,2019年全球生命科学纳米结构应用市场将达到178亿美元,2024年将达到338亿美元。未来五年复合年增长率预计为13.7%,未来五年销量(如纳米粒子、纳米球、纳米胶囊、量子点)将继续增长。

根据几款相关纳米机器人的垂直行业预测,全球纳米机器人市场预计将达到1000亿美元,复合年增长率为21%。机器人技术的突破性发展有望为纳米机器人创造良好的需求。

02

国内市场规模

据相关数据显示,截至2017年,中国纳米技术市场规模约为200亿美元。虽然中国微纳市场需求强劲,但微纳产业仍处于发展初期。现在全国各种类型的研究机构约300家,企业约300家。中国本土企业在市场上只能占到50亿美元左右。

三 行业发展趋势判断

01

纳米机器人制备技术加速创新

目前微纳米机器人常用的制备方法有电沉积技术、物理气相沉积技术、自卷曲技术、可控组装技术、3D打印技术和生物杂化技术。

为了使微纳机器人具有更高的运动效率,形状和结构设计至关重要;然而,为了满足设计需求,能够低成本、大规模、对环境无害地生产相应微纳机器人的微加工制造技术仍需要不断发展。现有的制备技术或多或少都有其自身的缺陷,如形状复杂、制备工艺简单、对环境影响小等,难以同时满足;另外两个,3D打印技术,打印设备昂贵,打印材料有限,生物成分少。制备技术的创新发展将使低成本、大批量、多结构设计的微纳机器人的生产成为可能,进而推动其商业化。

02

进一步提高了制备材料安全性和降解性

在纳米机器人技术的应用过程中,最突出的风险是用于制造纳米机器人的纳米粒子的安全性。由于对所使用的纳米材料缺乏全面的了解,一些纳米机器人制造过程中使用的纳米材料可能具有潜在的毒性。一些纳米粒子的毒性已经被一些研究团队证明,并受到科学家的特别关注。

在纳米粒子的诸多潜在危害中,最重要的是纳米粒子的不溶性。有研究表明,人体内的纳米粒子可以不受阻碍地进入人体的健康细胞,甚至通过血液循环系统进入大脑,干扰健康细胞和组织的正常工作。目前世界上首个由韩安科技成功商业化的消化道胶囊内窥镜机器人在体内无法降解,需要经过检查后排除。液态金属如镓和镍被认为是生物医学应用的理想材料。

03

实时控制技术的种类逐渐丰富和成熟

实现纳米机器人在人体内的可控自主运动一直是一个难题。实时控制技术的出现将使他们能够准确到达人体的某个部位,然后实现药物输送,或者进行智能显微手术。目前,科研界已经发展了光声层析技术、体内荧光成像实时跟踪技术、磁共振成像技术等。,可以有效实现纳米机器人在体内的实时信息反馈,让医生可以对其进行严密监控。

04

集群运动将是研究的重点

磁场作为驱动和控制微纳机器人的重要方式之一,目前在研究领域取得了越来越好的成果,但主要以单个机器人为研究对象,对多机器人或集群机器人同时控制的研究很少。学者们已经初步探索了其集群机制。根据相关研究,我们发现国内参与群控的纳米机器人主要以光和化学梯度驱动为主,并取得了相关成果;但总的来说,不适合长期应用。沈阳自动化研究所实验室副主任刘连青认为,医疗机器人行业未来发展的重点将是微纳机器人的群控。突破这个技术难题可能需要10年。在准备模式和驱动模式越来越成熟的前提下,集群控制将成为下一阶段研究的重点和真正产业化的关键。

05

癌症靶向治疗将加速着陆

由于癌症疾病的预防困难和死亡率的增加,癌症治疗的新医学方法已成为关键的发展方向。由于医疗资源的短缺和人口的老龄化,癌症治疗纳米机器人的发展引起了社会各界的关注,癌症治疗纳米机器人的深入研究和开发已经成为科技发展的主流。目前,癌症治疗纳米机器人的研究还处于研发的初级阶段,尚未在临床上实现。未来,随着计算机科学、材料科学、机器人学和医学的发展,以及跨学科融合的进步,癌症治疗纳米机器人将具有广阔的前景和发展空间。我们相信,随着各国政府继续大力支持癌症治疗纳米机器人的研发,这一新兴产业将有广阔的落地前景,DNA纳米机器人将率先落地。

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