载药微型机器人借助磁场在血液中精准导航

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苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）研究团队成功研发出一种新型载药微型机器人，有望在不久的将来正式投入临床医院使用。该系统依托先进的磁导航技术，可在复杂血流及脑部微血管中实现精准可靠的定向控制。该成果已在高仿真血管模型与大型动物实验中成功验证，未来将为中风等疾病的靶向治疗开辟全新路径。

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苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发出一种能够将药物输送至体内特定位置的微型机器人，有望在不久的将来应用于医院临床。磁导航系统使其能够在血流及复杂的脑部结构中实现可靠控制。该技术已在逼真的血管模型和大型动物身上成功测试，有望为未来（尤其是中风）的新型疗法铺平道路。

全球每年有1200万人罹患中风，许多人因此丧生或留下永久性残疾。目前，临床通常通过给药来溶解阻塞血管的血栓。这些药物会扩散至全身，因此必须使用高剂量以确保足量药物抵达血栓部位，但这可能引发内出血等严重副作用。由于药物通常仅需作用于身体特定区域，医学界长期以来一直在探索利用微型机器人将药物精准递送至所需部位的方法：例如在中风治疗中，直接将药物送达相关血栓处。

该微型机器人是一种专有的球形胶囊，由可溶性凝胶外壳制成，研究人员可通过磁铁对其进行控制并引导其穿过身体到达目标位置。胶囊内的氧化铁纳米颗粒赋予了其磁性。研究人员近期在《科学》（Science）期刊上发表了相关研究成果。

“由于人脑中的血管极其细小，胶囊的尺寸存在上限。技术挑战在于如何确保如此微小的胶囊仍具备足够的磁性能，”论文第一作者、苏黎世联邦理工学院多尺度机器人实验室博士后研究员Fabian Landers解释道。

微型机器人还需要造影剂，以便医生通过X射线追踪其在血管中的移动轨迹。研究人员将重点放在钽纳米颗粒上，这种材料在医学中很常见，但由于密度和重量较大，控制起来更具挑战性。“将磁功能、成像可见性和精准控制集成于单一微型机器人中，需要材料科学与机器人工程学的完美协同，我们为此付出了多年的努力才成功实现，”数十年来一直研究微型机器人的ETH教授Bradley Nelson表示。机器人学与智能系统研究所的化学家Salvador Pané教授及其团队开发了精密的氧化铁纳米颗粒，实现了这一精妙的平衡。

专用导管释放载药胶囊

微型机器人内部还包含其需要递送的有效成分。研究人员成功将多种常见药物装载到微型机器人中——在本案例中为溶栓剂、抗生素或肿瘤药物。药物通过高频磁场释放，该磁场会加热磁性纳米颗粒，从而溶解凝胶外壳及微型机器人本身。

研究人员采用两步策略将微型机器人送至目标附近：首先，他们通过导管将微型机器人注入血液或脑脊液中。

随后，他们利用电磁导航系统引导磁性微型机器人到达目标位置。该导管的设计基于市售型号，内部导丝连接着一个柔性聚合物夹持器。当被推过外部引导管时，聚合物夹持器会张开并释放微型机器人。

带有夹持臂的标准插入导管可释放微型机器人。为精准操控微型机器人，研究人员开发了一种适用于手术室的模块化电磁导航系统。“人体动脉系统中的血流速度因位置不同而差异巨大，这使得微型机器人的导航变得极为复杂，”Nelson解释道。

研究人员结合了三种不同的磁导航策略，使其能够在头部动脉的所有区域进行导航。这使他们能够利用旋转磁场使胶囊沿血管壁滚动。胶囊可以以每秒4毫米的速度极其精准地导向目标。

在另一种模型中，胶囊通过磁场梯度移动：即某处的磁场强于另一处。这会将血管中的微型机器人拉向磁场更强的区域。胶囊甚至可以逆流而上——且能在超过每秒20厘米的显著流速下实现。“我们的血管中血液流量之大、流速之快令人惊叹。我们的导航系统必须能够应对所有这些情况，”Landers表示。

当微型机器人到达难以操控的血管分叉处时，顺流导航策略便会发挥作用。磁场梯度被定向指向血管壁，使胶囊被顺势带入正确的血管分支。

通过整合这三种导航策略，研究人员在各种血流条件和解剖场景中实现了对微型机器人的有效控制。在超过95%的测试案例中，胶囊成功将药物递送至正确位置。“磁场和梯度非常适合微创手术，因为它们能深入人体内部，且——至少在我们使用的强度和频率下——不会对人体产生有害影响，”Nelson解释道。

创新不止于机器人技术

为了在逼真环境中测试微型机器人及其导航系统，研究人员开发了能够精准复制患者和动物血管的硅胶模型。这些血管模型高度逼真，目前已用于医学培训，并由ETH衍生公司Swiss Vascular进行商业化推广。“这些模型对我们至关重要，我们进行了大量练习以优化策略及其组件。这在动物身上是无法实现的，”Pané解释道。在该模型中，研究人员成功定位并溶解了血凝块。

在模型中取得多次成功试验后，团队致力于证明微型机器人在真实临床条件下的能力。首先，他们在猪身上证实了三种导航方法均有效，且微型机器人在整个过程中始终保持清晰可见。其次，他们引导微型机器人穿过了绵羊的脑脊液。Landers对此尤为欣喜：“这种复杂的解剖环境具有巨大的进一步治疗干预潜力，因此微型机器人也能在此环境中成功寻路，令我们倍感振奋。”

超越血管阻塞的应用

除了治疗血栓，这些新型微型机器人还可用于局部感染或肿瘤的治疗。在研发的每个阶段，研究团队始终聚焦于一个目标：确保他们创造的一切能尽快投入手术室使用。下一步目标是尽快启动人体临床试验。谈及整个团队的动力，Landers表示：“医生们在医院已经做出了令人难以置信的工作。驱动我们的是这样一种认知：我们拥有一项技术，能够帮助我们更快、更有效地救治患者，并通过创新疗法为他们带来新的希望。”

资讯来源

• Magnetics Magazine
• 原文链接： Microrobots Carrying Medicine Find their Way Magnetically Through the Bloodstream