磁驱动液体注入式仿生纤毛微导管：低摩擦介入治疗的新突破

《SCIENCE ADVANCES》：Magnetic slippery microcatheter with artificial cilia for low-friction interventions

本研究针对传统导管在微创介入手术中因刚性和高摩擦导致的组织损伤问题，开发了一种磁驱动液体注入式光滑微导管（LISMC）。该导管通过仿生纤毛结构和水凝胶涂层，将摩擦系数降低至传统导管的三分之一，并实现了在复杂管腔结构（如胆管、脑血管）中的精准导航和微纳机器人靶向递送，为介入医学提供了安全高效的创新平台。

　　

在微创介入手术中，导管是医生延伸的手眼，能够直达病灶进行精准治疗。然而，传统导管面临着一个棘手的矛盾：为了保持推送力，导管需要一定的刚性，但这又会增加与脆弱的人体管腔组织（如血管、胆管）的摩擦，轻则造成组织擦伤、微撕裂，重则可能导致穿孔、炎症等严重并发症。特别是在迂曲狭窄的解剖结构中，如脑血管网络或肝内胆管分支，传统导管更是“步履维艰”，其导航能力和安全性受到极大限制。磁性导航技术的出现为这一难题带来了曙光，它通过外部磁场远程控制磁化导管，实现了无接触的精准操控。但现有的磁控导管系统往往因为集成磁性部件而牺牲了柔韧性，其表面摩擦性能也并未得到根本改善，组织损伤风险依然存在。

为了解决这些挑战，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究从大自然中汲取灵感，模仿狗尾草种子的高效运动方式，研制出一种磁驱动液体注入式光滑微导管（LISMC）。这项研究旨在开发一种兼具超低摩擦、优异柔韧性和精准磁控导航能力的微导管，以期显著提升介入手术的安全性和有效性。

研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先是微导管的仿生设计与制备，通过将四氧化三铁（Fe₃O₄）磁性纳米颗粒与弹性聚合物（如聚二甲基硅氧烷，PDMS和Ecoflex）复合，采用模具成型和磁场诱导生长技术，构建出具有中心轴和密集排列的人工磁性纤毛的导管尖端。其次，通过表面接枝聚合技术在纤毛表面生长了一层水凝胶皮肤，形成了液体注入式光滑表面。再者，利用流变仪等设备系统评估了导管样品的摩擦系数和力学性能（如储能模量G‘和损耗模量G’‘）。在功能验证方面，研究建立了离体（猪胆管模型）和在体（新西兰兔急性胰腺炎模型）实验平台，结合临床X射线数字减影血管造影（DSA）成像系统和机器人磁控臂，实现了微导管导航和磁性螺旋微游泳机器人（由磁化螺旋藻制备并负载间充质干细胞条件培养基）递送与驱动的实时可视化与精确控制。

研究结果

磁性微导管的制备

受狗尾草种子表面纤毛能有效减少摩擦并促进运动的启发，研究团队成功制备了LISMC。其核心结构包括一个由Fe₃O₄/PDMS复合材料构成的磁性尖端，以及通过外部磁场诱导Ecoflex预聚物中的磁性颗粒定向排列而形成的密集人工纤毛阵列。通过调控磁场强度，可以精确控制纤毛的长度、直径和密度。最后，在纤毛表面通过紫外光引发聚合形成了聚丙烯酰胺水凝胶皮肤，扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析证实了水凝胶层的成功构建。

阻力减少分析

摩擦性能测试表明，仿生纤毛结构和水凝胶涂层的协同效应能显著降低表面摩擦。与无纤毛的样品相比，具有纤毛的样品摩擦系数降低了约三分之二，而增加水凝胶涂层后，摩擦系数进一步降至初始样品的约十分之一，且经长时间磨损后仍保持稳定。理论分析指出，纤毛在交变磁场下的周期性振荡能产生局部流体流动（遵循斯托克斯流动方程），减少与管腔组织的直接接触，同时水凝胶层形成的润滑膜也贡献了优异的减摩效果。此外，纤毛在遇到障碍物时，其磁驱振荡能帮助导管脱离纠缠，提升了在复杂微观环境中的通过能力。导管在管内的运动速度与磁场频率、强度以及纤毛长度密切相关，存在一个最优的纤毛长度以平衡灵活性和推进效率。

LISMC纤毛的力学性能

力学性能测试显示，水凝胶涂层的纤毛具有较低的弹性模量，其储能模量（G‘）和损耗模量（G’‘）在低频下分别约为20-30 kPa和10 kPa，这与人体管腔组织（如血管内皮、胆管）的模量范围（~10-100 kPa）高度匹配，证明了其良好的生物力学相容性和组织安全性。

驱动设计的优化

基于磁偶极子模型和欧拉-伯努利梁理论，研究人员建立了磁控导管在非均匀磁场中的受力、扭矩和弯曲形变的数学模型，能够预测导管尖端的偏转角度。实验测量了导管尖端在不同距离磁场源处的偏转角度（可达90°）。在模拟人体管腔的猪组织弯曲管道中进行往复运动测试后，SEM观察显示LISMC未对管壁造成损伤，而接触压力模拟表明纤毛结构能有效减小局部接触压力。LISMC在肠液、胆汁、胃液等不同生理环境中也表现出良好的结构稳定性和运动性能。

可控转向与导航

LISMC在多种复杂3D打印模型中展示了卓越的主动转向和导航能力。无论是在二维S形通道、具有动脉瘤的颈动脉模型、具有锐利转弯的胆管系统，还是错综复杂的脑神经血管模型中，LISMC均能通过外部磁场的精确控制，实现小角度、大角度乃至连续多角度的灵活转向，顺利通过狭窄迂曲的路径到达目标位置。

磁性控制螺旋机器人的制备与运动

研究还利用磁化的螺旋藻（SP@Fe₃O₄@PDA）制备了可负载细胞的磁性螺旋微游泳机器人。单个机器人在三轴亥姆霍兹线圈驱动下可实现多方向运动，最大速度达12.7 μm/s（磁场强度12 mT，频率5 Hz）。更重要的是，这些微机器人能够在磁场控制下形成稳定的集群（蜂群），并沿预设轨迹运动，在模拟胆汁流动的环境中也能保持稳定的集群形态和运动能力，显示出在动态生理环境中应用的潜力。

微导管介入和微机器人部署的离体及在体模型

在离体猪胆管模型中，结合DSA成像和磁控机械臂，LISMC成功经十二指肠乳头进入胆总管，并精准释放了磁性螺旋微游泳机器人集群。X射线荧光成像清晰显示了微导管的位置和微机器人集群在磁驱下向胆管下游分支导航的过程。在新西兰兔急性胰腺炎（由L-精氨酸诱导）在体模型中，LISMC系统成功将负载间充质干细胞条件培养基（MSC CM）的螺旋微游泳机器人递送至胰腺区域。血清学检测显示，治疗组兔子的淀粉酶、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平显著降低。组织学分析（Schmidt评分、Chiu‘s评分、Ishak坏死炎症评分）进一步证实，治疗组的胰腺、肠道和肝脏组织损伤明显减轻，表明该治疗策略能有效缓解急性胰腺炎及其相关的多器官损伤。

研究结论与意义

本研究开发的磁驱动液体注入式光滑微导管（LISMC）成功解决了传统介入导管在柔韧性、摩擦控制和复杂路径导航方面的核心难题。其仿生纤毛设计与水凝胶涂层的结合，实现了超低摩擦和安全导航；磁控驱动则提供了前所未有的精准转向能力。更为重要的是，LISMC作为一个多功能平台，能够有效递送和操控磁性微纳机器人执行靶向治疗任务。在离体和在体模型中的成功验证，特别是在兔急性胰腺炎治疗中展现出的显著效果，标志着该技术向临床转化迈出了关键一步。这项工作不仅为肝胆疾病、脑血管疾病及肿瘤等领域的精准介入治疗提供了变革性工具，也展示了微纳机器人技术与传统医疗设备融合的巨大潜力，为下一代治疗应用奠定了坚实基础。