生醫(yī)應(yīng)用的磁控膠囊機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)響應(yīng)與多功能集成

膠囊機(jī)器人可以通過口服方式抵達(dá)胃腸道病灶區(qū)域?qū)嵤┽t(yī)療功能，為實(shí)現(xiàn)胃腸道疾病無痛無創(chuàng)診療和提高患者依從性提供了重要途徑。其中，磁控膠囊機(jī)器人技術(shù)因其驅(qū)動(dòng)方式具有非接觸、穿透性能好和控制模式豐富等優(yōu)勢而被認(rèn)為是最理想的胃腸道疾病診療手段之一。

然而，受制于有限的膠囊空間結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的胃腸道環(huán)境，在小型化和功能化應(yīng)用需求下，磁控膠囊機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及外部磁驅(qū)動(dòng)策略開發(fā)等均面臨巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有磁控膠囊機(jī)器人主要采用內(nèi)置永磁體的賦磁設(shè)計(jì)模式，普遍存在體積大（尺寸大于#00號(hào)膠囊，8.53mm × 23.3mm）、載藥比低以及醫(yī)療功能單一等問題，實(shí)際應(yīng)用范圍和療效都受到極大限制。

近期，來自華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心與電氣與電子工程學(xué)院的李亮教授、曹全梁教授團(tuán)隊(duì)，提出一種新穎的微型磁控膠囊機(jī)器人（膠囊本體最小尺寸僅5.8mm × 13mm），通過創(chuàng)新膠囊機(jī)器人內(nèi)部磁化結(jié)構(gòu)與外部驅(qū)動(dòng)策略，賦予了膠囊機(jī)器人主動(dòng)靶向運(yùn)輸、定點(diǎn)采樣、多重藥物釋放和磁電/熱轉(zhuǎn)化激勵(lì)等功能，為胃腸道疾病無創(chuàng)診療提供了全新的解決方案。

圖1 磁控膠囊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、磁性軟體通道設(shè)計(jì)和醫(yī)學(xué)功能示意圖:（a）膠囊結(jié)構(gòu)和組裝過程；（b）通道開閉狀態(tài)切換；（c）人體攝入膠囊示意圖；（d）胃部多目標(biāo)輸運(yùn)和藥物釋放示意圖；（e）小腸內(nèi)取樣示意圖。

圖2 自然子刊-Nature Communications發(fā)表頁面截圖

2024年2月29日，這一研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。華中科技大學(xué)博士生孫宇軒、張望為共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授為共同通訊作者，其他主要合作者還包括，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院宋恩民教授、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院蔡開琳教授、華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院邱武教授，以及華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院韓小濤教授、呂以亮副研究員、歐陽少威博士后等人。

▍機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與現(xiàn)有普遍采用的內(nèi)置永磁體賦磁設(shè)計(jì)模式不同，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)頗具遠(yuǎn)見的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，即將磁控軟體機(jī)器人技術(shù)引入膠囊機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，這一構(gòu)想為破解受限膠囊空間內(nèi)部件集成難題、實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人的微型化和多功能化提供了全新思路。

在該研究中，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種由可變形的磁閥門和固定式的磁鎖組成的雙層磁性軟體通道，其磁化模式分別為軸向磁化（磁鎖）和徑向?qū)ΨQ磁化（磁閥門），并完成了通道密閉性及狀態(tài)調(diào)控性能測試（圖3）。這種獨(dú)特的磁化模式使得在無外加磁場情況下，磁性軟體通道因磁閥門與磁鎖之間的梯度磁場力而自動(dòng)閉合，確保了膠囊的高密封性。

當(dāng)施加外部磁場時(shí)，磁閥門能夠在磁力矩的作用下產(chǎn)生向上的“U形”變形，從而打開通道實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)外物質(zhì)的交換。這一特性確保了所開發(fā)膠囊機(jī)器人能夠通過外部磁場的激活來實(shí)現(xiàn)與胃腸道環(huán)境的精準(zhǔn)可控交互，且其類似于內(nèi)開窗的打開模式有效避免復(fù)雜胃腸道環(huán)境對(duì)磁性閥門變形造成的不確定影響，從而保持通道功能的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 磁控膠囊機(jī)器人通道開閉的靈活調(diào)控和密閉性測試:（a）磁滯回線測量結(jié)果；（b）不同磁場下磁閥門的變形特征；（c）通道開啟磁場測量；（d）磁閥門彎曲角測量；（e）通道臨界壓強(qiáng)測試；（f）密閉性測試示意圖；（g）密閉性測試結(jié)果。

與傳統(tǒng)磁閥門依賴外部梯度磁場力的關(guān)閉/開啟機(jī)制不同，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于內(nèi)部梯度磁場力和外部磁力矩競爭式開閉狀態(tài)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了無外加磁場下的膠囊通道自閉合，且開啟與外部磁場梯度無關(guān)，這一點(diǎn)在遠(yuǎn)距離控制中具有更為明顯的優(yōu)勢，因?yàn)榇艌鎏荻葧?huì)隨著距離的增加而迅速衰減。

▍機(jī)器人驅(qū)動(dòng)策略與動(dòng)態(tài)行為

在所開發(fā)的磁控膠囊機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)中，整體結(jié)構(gòu)與局部通道的磁響應(yīng)扮演了關(guān)鍵角色。然而，由于它們共享相同的內(nèi)部磁化特性和外部磁場，如何獨(dú)立且靈活地調(diào)節(jié)這兩種響應(yīng)極具挑戰(zhàn)。

在該項(xiàng)研究中，通過磁性軟體通道的單向凈剩磁設(shè)計(jì)以及頻率響應(yīng)差異化設(shè)計(jì)，開發(fā)了整體與局部磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的解耦調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在低頻磁場下整體運(yùn)動(dòng)和高頻磁場下局部變形的獨(dú)立控制。

圖4 膠囊機(jī)器人的整體-局部磁動(dòng)力學(xué)分析:（a）不同驅(qū)動(dòng)磁場下運(yùn)動(dòng)模式示意圖；（b）運(yùn)動(dòng)性能測試；（c）錨定性能測試；（d）局部變形和藥物釋放測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（圖4），所開發(fā)膠囊機(jī)器人在低頻磁場下（小于5 Hz）展現(xiàn)出優(yōu)異的可控性和高效的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。同時(shí)，該機(jī)器人在高頻磁場下（大于30Hz）顯示了出色的錨定性能，這有助于膠囊機(jī)器人在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)施精準(zhǔn)、穩(wěn)定的醫(yī)療功能。

以上功能的實(shí)現(xiàn)攻克了傳統(tǒng)膠囊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及功能模式單一、拓展性差等瓶頸，為膠囊機(jī)器人的整體主動(dòng)靶向輸運(yùn)和局部多模態(tài)磁響應(yīng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

▍機(jī)器人功能拓展與模塊化設(shè)計(jì)

在上述基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)膠囊機(jī)器人結(jié)構(gòu)和拓展功能進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)膠囊機(jī)器人動(dòng)能、光能、熱能多能交互的無內(nèi)源模塊化設(shè)計(jì)與功能集成。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅拓寬了膠囊機(jī)器人的應(yīng)用范圍，還顯著提高了其在生物醫(yī)學(xué)場景中的靈活性和可控性。

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了膠囊的局部結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)控外加磁場頻率，成功賦予了膠囊機(jī)器人四類拓展功能：多重藥物釋放、粘液清除、磁電和磁熱轉(zhuǎn)化激勵(lì)（圖5）。這些功能的實(shí)現(xiàn)顯示出所開發(fā)膠囊機(jī)器人技術(shù)在多藥物協(xié)同治療、增強(qiáng)大分子類藥物吸收以及光/熱輔助治療等方面具有重要應(yīng)用潛力。

圖5拓展功能展示：多重藥物釋放與低頻靶向運(yùn)輸-高頻磁電轉(zhuǎn)化激勵(lì)

▍機(jī)器人功能驗(yàn)證與測試

在對(duì)膠囊機(jī)器人進(jìn)行功能評(píng)估的實(shí)驗(yàn)研究中，團(tuán)隊(duì)先后通過理想模型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物體外器官模型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)膠囊機(jī)器人靶向運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)可控/多重藥物釋放與采樣等醫(yī)學(xué)功能進(jìn)行了系列評(píng)估，驗(yàn)證了其在胃腸道疾病診療中的應(yīng)用潛力（圖6）。

圖6 膠囊機(jī)器人功能評(píng)估:（a）胃模型中靶向輸運(yùn)與藥物釋放；（b）活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)示意圖；（c）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖像；（d）藥物釋放前后對(duì)比結(jié)果。

綜上所述，華中科技大學(xué)李亮教授和曹全梁教授團(tuán)隊(duì)攻克了受限膠囊空間內(nèi)的多功能部件集成、復(fù)雜胃腸道環(huán)境中的多模態(tài)磁響應(yīng)調(diào)控等難題，實(shí)現(xiàn)了磁控膠囊機(jī)器人的小型化和功能化，已在主動(dòng)靶向運(yùn)輸、可控藥物釋放和采樣等方面展現(xiàn)出突出的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，相關(guān)研究成果對(duì)于推動(dòng)磁控膠囊機(jī)器人技術(shù)發(fā)展和臨床應(yīng)用具有重要意義。

參考文章：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9

審核編輯：劉清