用于粘液生理特性原位傳感的無(wú)線微型生物傳感器設(shè)計(jì)

生物粘液的生理特性是監(jiān)測(cè)人類健康狀況和幫助了解疾病發(fā)展的重要生理指標(biāo)，因?yàn)檎骋禾匦裕ɡ?，粘度）與炎癥和其他疾病高度相關(guān)。然而，使用純醫(yī)學(xué)成像來(lái)感知粘液粘度目前仍然具有挑戰(zhàn)性。使用柔性內(nèi)窺鏡和膠囊內(nèi)窺鏡機(jī)器人在體外收集和分析粘液樣本方面非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冸y以進(jìn)入非常狹窄、曲折和狹小的空間，并且樣本可能無(wú)法反映在人體內(nèi)的真實(shí)粘液特性。

針對(duì)以上問題，美國(guó)范德比爾特大學(xué)（Vanderbilt University）董曉光教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種新方法（圖1），可以通過(guò)由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)并由醫(yī)學(xué)成像跟蹤的無(wú)線微型傳感器來(lái)原位傳感粘液粘度。這些微型粘度傳感器可以通過(guò)控制磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)毫米級(jí)軟體攀爬機(jī)器人遞送到指定區(qū)域。由于微型軟體機(jī)器人可以進(jìn)入有限且狹窄的空間，并將傳感器可靠地部署在軟組織表面上，因此可以在軟生物組織上遞送多個(gè)傳感器來(lái)分布式傳感生物流體粘度。因此，所提出的微創(chuàng)機(jī)器人遞送和粘度傳感方法為傳感體內(nèi)深處的生物流體特性以用于未來(lái)的疾病監(jiān)測(cè)和早期診斷功能鋪平了道路。相關(guān)研究成果以“Sensing Mucus Physiological Property In Situ by Wireless Millimeter-Scale Soft Robots”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上[1]。

圖1 （A）磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型生物粘液粘度傳感器系統(tǒng)概述；（B）軟體機(jī)器人及無(wú)線粘度傳感器；（C）粘度傳感器的遞送過(guò)程；（D）多個(gè)粘度傳感器的工作示意圖；（E）粘度傳感器在消化道組織粘液上的圖片。

靈活的毫米級(jí)軟體攀爬機(jī)器人

為了遞送微型傳感器，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了柔性的桿狀軟體機(jī)器人（圖2），它可以在粘液覆蓋的組織上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使用所攜帶的懸臂遞送梁遞送粘度傳感器。在三維外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人可以在任意方向彎曲，機(jī)器人的攀爬運(yùn)動(dòng)則基于該團(tuán)隊(duì)之前報(bào)道的剝離和裝載機(jī)制[2]。機(jī)器人的雙腳依靠生物粘附作用而粘附在組織表面。微型傳感器可以粘附在組織表面，然后通過(guò)一種可控的機(jī)械配合方式來(lái)脫離軟體機(jī)器人，這種新穎的遞送機(jī)制允許通過(guò)以微創(chuàng)方式控制毫米級(jí)軟體攀爬機(jī)器人來(lái)遞送無(wú)線微型傳感器。

圖2 控制機(jī)器人的攀爬運(yùn)動(dòng)以及遞送粘度傳感器：（A）軟體攀爬機(jī)器人在軟組織上的全向可操縱性；（B）剝離和加載機(jī)制示意圖；（C）機(jī)器人在豬結(jié)腸組織上的攀爬運(yùn)動(dòng)；（D）基于軟體機(jī)器人的傳感器遞送過(guò)程。

無(wú)線磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液體粘度傳感器的機(jī)理

這種新型無(wú)線微型傳感器可以感測(cè)消化道組織器官深處的粘液特性。圖3顯示了粘度傳感器的理論推導(dǎo)、校準(zhǔn)方法和傳感過(guò)程。傳感器錨定在粘液層上后，磁性旋轉(zhuǎn)器部分將接觸粘液層。磁性旋轉(zhuǎn)器由磁環(huán)和磁盤組成，借助毛細(xì)管力被粘液潤(rùn)濕。液體的粘滯系數(shù)可以進(jìn)而通過(guò)觀測(cè)磁盤和外加磁場(chǎng)之間的偏轉(zhuǎn)角來(lái)獲得。在人體內(nèi)，可以通過(guò)X射線成像進(jìn)行離體可視化，進(jìn)而在豬結(jié)腸組織的粘液中（圖4）測(cè)試傳感器。粘液粘度傳感結(jié)果已得到其他先進(jìn)測(cè)量工具的進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)粘度傳感器的粘度傳感特性：（A）將粘度傳感器固定在豬結(jié)腸組織粘液層上的實(shí)驗(yàn)圖像；（B）施加在傳感器磁性旋轉(zhuǎn)器上的剛體扭矩和力的圖示；（C）傳感器在不同頻率的旋轉(zhuǎn)外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的蜂蜜水混合物中旋轉(zhuǎn)的圖像；（D）粘度傳感過(guò)程的磁矩和外部磁場(chǎng)的方向；（E）用于粘度傳感過(guò)程的磁場(chǎng)和磁矩之間的角度差的正弦；（F）不同剪切速率下垂直于傳感器探頭磁矩的外部磁場(chǎng)分量的校準(zhǔn)曲線；（G）不同粘度的蜂蜜水混合物的校準(zhǔn)曲線的斜率；（H）在不同粘度的蜂蜜-水混合物中預(yù)測(cè)粘度作為測(cè)量粘度的函數(shù)。



圖4 離體豬組織粘液粘度檢測(cè)和X射線引導(dǎo)下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)：（A）傳感器信號(hào)輸出作為不同水-粘蛋白比率的粘液剪切速率的函數(shù)；（B）使用磁性粘度傳感器預(yù)測(cè)的粘液粘度和使用商用粘度計(jì)測(cè)量的粘度作為剪切速率的函數(shù)；（C）預(yù)測(cè)的隨時(shí)間變化的粘液粘度作為時(shí)間的函數(shù)；（D）部署在豬結(jié)腸組織頂部和垂直表面上的兩個(gè)傳感器的粘度傳感過(guò)程的圖像；預(yù)測(cè)的粘液粘度作為傳感器 1（E）和傳感器2（F）剪切速率的函數(shù)；（G）機(jī)器人攀爬豬結(jié)腸組織和傳感器部署過(guò)程的連續(xù)X射線醫(yī)學(xué)圖像。（i）攀爬運(yùn)動(dòng)；（ii）傳感器負(fù)載；（iii、iv）傳感器分離；（H）使用所部署的粘度傳感器進(jìn)行粘度傳感過(guò)程的連續(xù)X射線醫(yī)學(xué)圖像。

與其他粘度傳感器相比，以上無(wú)線微型粘度傳感器可以以微創(chuàng)的方式部署在生物組織的目標(biāo)位置，并具有相對(duì)較長(zhǎng)的停留時(shí)間，這有希望用于人體內(nèi)的應(yīng)用。相比之下，大多數(shù)基于壓電振動(dòng)器的粘度傳感器不能無(wú)線驅(qū)動(dòng)，無(wú)法用于體內(nèi)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。其他基于光學(xué)或毛細(xì)管效應(yīng)的粘度傳感器分別依賴于復(fù)雜的光控制單元和微流控通道，這些僅在體外應(yīng)用中得到證明，限制了它們?cè)隗w內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用。除此之外，磁性納米線已被證明可以通過(guò)結(jié)合體外光學(xué)成像來(lái)感知粘液粘度，但它缺乏在體內(nèi)應(yīng)用中長(zhǎng)期保留在生物組織上的能力。

該團(tuán)隊(duì)未來(lái)還將在豬器官中對(duì)機(jī)器人和粘度傳感器進(jìn)行體內(nèi)測(cè)試，以進(jìn)一步驗(yàn)證遞送和傳感機(jī)制的有效性。這些軟體攀爬機(jī)器人的攀爬能力允許將粘度傳感器遞送到胃腸道中難以到達(dá)的位置，從而能夠?qū)鞲衅骶_地定向遞送到不同的胃腸道位置，從而通過(guò)遞送多個(gè)傳感器來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和基于醫(yī)學(xué)成像的運(yùn)動(dòng)跟蹤允許在身體深處進(jìn)行傳感。此外，雖然作者在這項(xiàng)工作中演示了粘度傳感器的遞送，但所提出的傳感器遞送機(jī)制也可用于遞送其他無(wú)線傳感器來(lái)感測(cè)溫度、pH值和其他生理特性。該工作可以啟發(fā)其他由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟微型機(jī)器人和其他不受束縛的軟體機(jī)器人，以便在有限的環(huán)境中有針對(duì)性地交付多功能傳感器以構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，所提出的方法為長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)和微創(chuàng)跟蹤生理特性鋪平了道路，以幫助了解疾病發(fā)展并提供早期診斷。

審核編輯：劉清