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華科大李亮教授、曹全梁教授團隊 Nat. Commun.：微型磁控膠囊機器人實現多模態響應與多功能集成

2024-03-12 來源：高分子科技

近期，華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心、電氣與電子工程學院李亮教授與曹全梁教授團隊開發出微型磁控膠囊機器人（最小尺寸僅5.8×13mm），并實現了集主動靶向運輸、定點采樣和多重藥物釋放等醫療功能于一體，在胃腸道疾病無創診療中展現出顯著的技術優勢和應用潛力。2024年2月29日，該研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。華中科技大學博士生孫宇軒、張望為論文共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授為共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金創新研究群體和國家脈沖強磁場科學中心學科交叉基金的資助。相關成果曾榮獲2023年全國大學生機器人科技創新交流營暨機器人大賽特等獎、“申昊杯”第五屆中國研究生機器人創新設計大賽一等獎等榮譽。

圖1 磁控膠囊機器人的結構、磁性軟體通道設計和醫學功能示意圖。（a）膠囊結構和組裝過程；（b）通道開閉狀態切換示意圖；（c）人體攝入膠囊示意圖；（d）胃部多目標輸運和藥物釋放示意圖；（e）小腸內定點取樣示意圖。

不同于現有磁控膠囊機器人，本研究將磁控軟體機器人技術引入到膠囊結構設計中，在傳統密閉式膠囊本體結構中構造了獨特的磁性軟體通道（由雙層硬磁性軟體復合材料構成），并通過梯度磁場力和磁力矩競爭式通道開閉狀態調控方法，實現無磁場下的膠囊通道自關閉和外加磁場下的柔性可控開啟，為破解膠囊內腔與胃腸道環境間物質雙向交互難題提供了有效途徑。

圖2 磁控膠囊機器人通道開閉狀態的靈活調控和密閉性測試。（a）不同磁性粒子含量下的磁滯回線測量結果；（b）不同磁場下磁閥門的變形特征；（c）不同磁性粒子含量下的通道開啟磁場；（d）磁閥門彎曲角測量；（e）通道臨界壓強測試；（f）膠囊密閉性測試示意圖；（g）膠囊密閉性測試結果。

同時，通過磁性軟體通道的單向凈剩磁設計以及整體-局部磁動力學響應解耦式驅動，攻克了傳統膠囊機器人運動及功能模式單一、拓展性差等瓶頸，為實現膠囊機器人整體主動靶向輸運和局部多模態磁響應提供關鍵技術支撐。

圖3 膠囊機器人的整體-局部磁動力學分析。（a）不同驅動磁場下運動模式示意圖；（b）運動性能測試；（c）錨定性能測試；（d）局部變形和藥物釋放測試。

在上述基礎上，該項研究先后通過理想模型實驗、動物體外器官模型實驗、動物體內實驗對膠囊機器人靶向運動、定點可控藥物釋放與采樣等醫學功能進行了系列評估，驗證了其在胃腸道疾病診療中的應用潛力。

圖4 磁控膠囊機器人功能評估。（a）胃模型中靶向輸運與藥物釋放；（b）活體動物實驗驗證的系統示意圖；（c）實驗現場圖像；（d）藥物釋放前后對比圖。

此外，該膠囊機器人還采用了無內源模塊化設計，通過跨尺度磁場頻率調節，實現磁-動-光/熱能多能交互的功能集成，并驗證了其在多重藥可控釋放、消化道粘液清除以及磁電/熱轉化激勵等功能中的應用，為推動未來胃腸道疾病無創診療技術創新和突破提供了重要途徑。

拓展功能展示：多重藥物釋放與低頻靶向運輸-高頻磁電轉化激勵

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9

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（責任編輯：xu）

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