华科大李亮教授、曹全梁教授团队 Nat. Commun.：微型磁控胶囊机器人实现多模态响应与多功能集成

2024-03-12 来源：高分子科技

近期，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心、电气与电子工程学院李亮教授与曹全梁教授团队开发出微型磁控胶囊机器人（最小尺寸仅5.8×13mm），并实现了集主动靶向运输、定点采样和多重药物释放等医疗功能于一体，在胃肠道疾病无创诊疗中展现出显著的技术优势和应用潜力。2024年2月29日，该研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。华中科技大学博士生孙宇轩、张望为论文共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体和国家脉冲强磁场科学中心学科交叉基金的资助。相关成果曾荣获2023年全国大学生机器人科技创新交流营暨机器人大赛特等奖、“申昊杯”第五届中国研究生机器人创新设计大赛一等奖等荣誉。

图1 磁控胶囊机器人的结构、磁性软体通道设计和医学功能示意图。（a）胶囊结构和组装过程；（b）通道开闭状态切换示意图；（c）人体摄入胶囊示意图；（d）胃部多目标输运和药物释放示意图；（e）小肠内定点取样示意图。

不同于现有磁控胶囊机器人，本研究将磁控软体机器人技术引入到胶囊结构设计中，在传统密闭式胶囊本体结构中构造了独特的磁性软体通道（由双层硬磁性软体复合材料构成），并通过梯度磁场力和磁力矩竞争式通道开闭状态调控方法，实现无磁场下的胶囊通道自关闭和外加磁场下的柔性可控开启，为破解胶囊内腔与胃肠道环境间物质双向交互难题提供了有效途径。

图2 磁控胶囊机器人通道开闭状态的灵活调控和密闭性测试。（a）不同磁性粒子含量下的磁滞回线测量结果；（b）不同磁场下磁阀门的变形特征；（c）不同磁性粒子含量下的通道开启磁场；（d）磁阀门弯曲角测量；（e）通道临界压强测试；（f）胶囊密闭性测试示意图；（g）胶囊密闭性测试结果。

同时，通过磁性软体通道的单向净剩磁设计以及整体-局部磁动力学响应解耦式驱动，攻克了传统胶囊机器人运动及功能模式单一、拓展性差等瓶颈，为实现胶囊机器人整体主动靶向输运和局部多模态磁响应提供关键技术支撑。

图3 胶囊机器人的整体-局部磁动力学分析。（a）不同驱动磁场下运动模式示意图；（b）运动性能测试；（c）锚定性能测试；（d）局部变形和药物释放测试。

在上述基础上，该项研究先后通过理想模型实验、动物体外器官模型实验、动物体内实验对胶囊机器人靶向运动、定点可控药物释放与采样等医学功能进行了系列评估，验证了其在胃肠道疾病诊疗中的应用潜力。

图4 磁控胶囊机器人功能评估。（a）胃模型中靶向输运与药物释放；（b）活体动物实验验证的系统示意图；（c）实验现场图像；（d）药物释放前后对比图。

此外，该胶囊机器人还采用了无内源模块化设计，通过跨尺度磁场频率调节，实现磁-动-光/热能多能交互的功能集成，并验证了其在多重药可控释放、消化道粘液清除以及磁电/热转化激励等功能中的应用，为推动未来胃肠道疾病无创诊疗技术创新和突破提供了重要途径。

拓展功能展示：多重药物释放与低频靶向运输-高频磁电转化激励

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9

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（责任编辑：xu）

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