基于自主磁性微集群的复杂流体环境无标记微货物递送与可控释放 | 《微系统与纳米工程》

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磁性微集群凭借优异的可控性与环境适应性，在靶向递送领域展现出巨大潜力。在赋予微集群抗环境干扰能力的同时，实现无标记货物递送与可控释放，是拓展其应用范围的关键。本研究提出基于磁镊系统驱动磁性微集群的无标记递送策略，通过高低频磁场切换实现自主捕获与可控释放，显著提升复杂流体下的运输稳定性，为磁性微型机器人的临床转化提供关键技术支撑。

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磁性微集群凭借优异的可控性与环境适应性，在靶向递送领域展现出巨大潜力。在赋予微集群抗环境干扰能力的同时，实现无标记货物递送与可控释放，是拓展其应用范围的关键。在本研究中，我们提出了一种基于磁镊系统驱动磁性微集群的无标记微货物递送策略。该方法中，高频磁场实现货物的自主捕获，低频磁场触发可控释放，形成了一种简单高效的频率切换机制。得益于磁镊系统产生的高强度磁场，微集群的抗干扰能力显著提升，即使在动态流体条件下也能确保稳定运输。借助视觉反馈，微集群能够自主捕获并稳定运输多种微米级货物，包括直径达400 µm的聚苯乙烯微球和细胞球体。在复杂结构和流动流体环境中，携带货物的微集群成功抵御流体冲击并实现自主导航。此外，通过频率切换机制实现了非磁性货物的可控释放。当微集群携带多个货物时，较小的货物通常先被排出，表明该释放机制具备顺序释放多货物的潜力。该策略规避了永久磁性标记带来的风险，增强了微集群的抗干扰能力，为磁性微型机器人的实际转化与临床应用提供了关键技术支持。

微型机器人学是一门融合材料科学、机器人技术与生物医学工程的快速发展交叉学科。凭借其微小尺寸和高机动性，微型机器人能够进入传统微创器械难以触及的狭窄复杂解剖区域。因此，微型机器人学在药物、干细胞和诊断剂等微货物的精准递送方面引发了广泛关注。在磁场、超声、光学或电场等外部场的驱动下，微型机器人能够精准导航并将微货物递送至指定部位，从而显著提升治疗精度与疗效。在上述外部场中，磁场提供精确、可控的定向驱动，兼具优异的生物相容性和深层组织穿透能力，使其特别适合体内生物医学干预。近期已成功演示了能够执行药物递送和靶向细胞运输的磁性微型机器人，凸显了其强大的临床潜力。

然而，单个磁性微型机器人受限于有效载荷能力有限，且体内成像技术通常在微尺度实时跟踪方面分辨率不足。由多个微型机器人组成的磁性微集群通过提升负载能力、改善成像对比度并展现可重构性，解决了这一问题，从而能够适应复杂动态的生物环境。动态磁场驱动的微集群已被用于纳米颗粒递送。目前基于集群的非磁性目标操控通常需要磁性标记或制造复合磁性载体，这可能会改变细胞球体、蛋白质和药物分子等敏感载荷的生物学功能。此外，递送后残留的磁性成分难以回收，存在潜在的生物毒性风险，限制了临床安全性。因此，亟需一种无需磁性修饰即可操控非磁性目标的非侵入性策略。近期已探索了几种间接控制货物的方法。顺磁性多模态微集群已被用作末端执行器以自动操控微物体，显著提升了系统的自动化程度。此外，一种新型规划策略进一步提高了磁性微型机器人系统在微操控任务中的自主性。尽管取得了这些成功演示，递送过程的抗干扰能力仍需进一步提升。

在本文中，我们提出了一种使用Fe3O4纳米颗粒组成的微集群进行微货物无标记递送的策略。在磁镊系统的控制下，该微集群能够实现微货物的捕获、递送与释放。结合识别算法，微集群实现了基于货物尺寸的自动化顺序捕获。此外，携带货物的微集群在复杂结构内展现出自主导航能力。磁镊系统产生的高强度磁场进一步增强了微集群的抗干扰能力和货物递送性能。在动态流动条件下，微集群成功实现了顺流和逆流的货物递送。此外，我们引入了一种基于频率切换的可控释放机制。动态调节旋转频率可调整集群形态，从而独立释放多个货物。在释放不同尺寸货物的过程中，较小的目标通常先被释放，表明该释放机制在顺序多货物释放方面具有应用潜力。该策略避免了永久磁性标记带来的安全隐患，提升了递送过程的稳定性，在组织内靶向治疗中展现出巨大潜力。

本研究采用定制搭建的磁镊系统来操控磁性微集群。该磁镊系统包含成像设备、主机、基板、永磁体、旋转盘和平移台，其工作原理如图1a所示。通过一对尺寸为10 mm × 10 mm × 10 mm、极距（d）为15 mm的矩形永磁体产生可控旋转磁场。使用COMSOL Multiphysics软件对磁场空间分布进行了仿真。磁体增强了磁场强度，从而提升了微集群的抗干扰能力。在磁场作用下，微粒最终在点P处组装成微集群，该点定义为旋转盘转轴（Rs）与基板的交点。当P点位置改变时，微集群随之移动。因此，利用这一特性实现了微集群的自动导航。

磁性微集群的形态由磁体到基板的磁场高度（h）和磁体的旋转频率（f）决定。本研究使用Fe3O4磁性微粒形成磁性微集群。图1b展示了在高度为20 mm、不同磁场旋转频率（0.1–10 Hz）下，以及在频率为6 Hz、不同高度（15–35 mm）下微集群的形态演变。通过调节磁性微集群的形态可实现对微货物的操控。当f < 1 Hz时，微集群保持长链状构型且内部孔隙较大，有利于释放已捕获的货物。当f超过1.5 Hz时，增强的流体动力打破长链，微集群逐渐重组为轮廓清晰的致密聚集体，从而实现货物的高效捕获。除f外，参数h也显著影响微集群形态。随着h增加，微链缩短，微集群变得更加紧凑。

这种结构演变显著影响其周围的流体动力学行为，从而调节微集群在目标操控中的性能。本研究建立了有限元模型，以深入探究微集群结构与流场特性之间的内在关联。微链结构被简化为矩形几何体。该模型模拟了微集群在三个代表性频率下的周围流场分布（图1c）。微集群的旋转运动在其核心周围诱导了涡旋状流场。当微集群靠近货物时，产生的压力梯度将货物拉向微集群边缘，并引导其向内螺旋运动至中心，从而实现高效包裹。在定向运动过程中，被包裹的货物稳定保留在微集群内，便于同步运输。

微集群产生的流场分布与微链尺度密切相关。在低频（f = 3 Hz）下，微链过度伸长，微集群结构松散，导致内部流体速度降低、压力梯度减弱，最终货物捕获效率低下。随着频率增加（f = 6 Hz），微链长度适中且间距减小，流体速度提高，增强了微集群捕获和保留货物的能力。然而，当频率过高（f = 10 Hz）时，微链变得过短且密集堆积，形成致密聚集体，限制了内部流体运动并降低了货物传输效率。因此，存在一个使微集群传输性能最大化的最佳频率阈值，这为后续的精准操控提供了理论基础。

此外，我们提出了一种频率切换策略以释放已捕获的货物。当f降至1 Hz以下时，微链迅速重组并伸长，形成粗棒状构型。在此状态下，微集群呈现松散架构，流场捕获力显著减弱。我们假设该棒状结构的旋转运动会对内部货物产生推力，驱动其向微集群边缘迁移并逐渐分离，从而实现货物的可控释放。

图1d展示了使用微集群递送货物的完整工作流程。注入工作区域的磁性微粒通常呈分散状态。施加旋转磁场后，它们自组装成微集群。视觉反馈系统实时跟踪微集群和货物的位置，实现自主捕获。稳定包裹后，微集群携带货物进行定向递送。到达释放区域时触发频率切换机制。随后恢复高频磁场，使微集群迅速重构为致密聚集体并撤出释放区域。该策略实现了无标记货物递送与可控释放。此外，高强度磁场的应用赋予微集群更强的抗环境干扰能力，为复杂生物环境中的微创递送应用提供了切实可行的技术路径。

通过定向运动实验评估了微集群的运动性能。图2a展示了在磁镊引导下沿三角形轨迹运动的微集群。图2b叠加了微集群的实际路径（红色实线）与期望路径（蓝色虚线）。图2c显示了实际路径与期望路径之间的跟踪误差。尽管实验中存在60°的急转弯，微集群仍稳定跟随期望路径，最大跟踪误差保持在0.5 mm以内。这种优异的跟踪能力证明了该系统在微尺度靶向递送方面的潜力。

系统评估了不同Fe3O4颗粒剂量的微集群的载货性能（图2d）。实验在f = 6 Hz、h = 30 mm的磁场下进行，使用直径为70–430 µm的聚苯乙烯微球（PSs）作为货物。随着颗粒剂量增加，载货微集群的最大速度（V max）随之增加。然而，微集群需克服的流体阻力随货物直径显著增大，导致V max逐渐降低。当货物超出微集群的结构承载极限时，其无法跟随微集群运动。实验表明，由2、4和6 µL磁性颗粒组装的微集群能够稳定运输直径为70–430 µm的PSs。鉴于其性能优势，后续实验采用6 µL颗粒组装的微集群。

除颗粒剂量外，f和h也影响微集群的载货能力。图2e、f展示了在不同f和h下运输250和300 µm PSs的微集群的V max。在固定h为30 mm时，V max随f逐渐增加，在6 Hz时达到峰值。进一步增加f会导致微集群结构更致密，从而降低传输效率。同样，当f保持在6 Hz时，增加h最初会促进结构致密化并提升V max，在30 mm处达到峰值，随后下降。

资讯来源

• nature.com (2026-07-24)
• 原文： 基于自主磁性微集群的复杂流体环境无标记微货物递送与可控释放 | 《微系统与纳米工程》