模块化磁性微机器人系统：实现复杂管道内精准导航和高径向力支架植入的新突破

《SCIENCE ADVANCES》：Modular magnetic microrobot system for robust endoluminal navigation and high–radial force stent delivery in complex ductal anatomy

为解决传统支架输送系统难以到达深部曲折管道的临床难题，研究人员开展了模块化磁性微机器人系统的开发主题研究。该研究通过整合磁性驱动(MA)模块和超声响应自膨胀支架(ST)模块，利用旋转方向控制的可调组装机制，实现了在狭窄部位的集成运动(C.W.)和按需分离(C.C.W.)。平台兼容术中超声，能在生理环境中实时导航并热触发扩张，使机器人可导航曲折仿生管道，3秒内完成可控支架部署，30秒内完全扩张，为胆道狭窄等疾病的微创治疗提供了新方案，推动了腔内介入治疗临床转化的突破。

　　

在现代医疗实践中，支架（Stent）作为一种管状医疗器械，被广泛应用于扩张狭窄的管腔并预防病理性闭塞，是治疗多种疾病的关键工具，包括阻塞性冠状动脉疾病、颅内动脉狭窄、动脉粥样硬化、气道梗阻、结肠梗阻、胆道狭窄和鼻泪管阻塞等。这些介入治疗能有效减轻患者不适，提高生活质量，并避免侵入性外科切除。然而，当治疗目标锁定在远端管腔病变时，巨大的技术挑战随之而来。曲折复杂的管道系统几何结构，结合远端管腔的狭窄尺寸和脆弱的内皮衬里，显著增加了手术风险，如管壁穿孔、医源性损伤和支架误置等。这些局限性凸显了对创新输送系统的迫切需求，该系统需能导航复杂的管腔地形，同时确保精确的支架定位和可控的原位扩张。

近年来，微机器人技术的进步为应对这些临床限制提供了显著潜力。其中，磁性驱动微机器人因其远程可控性、组织穿透能力和精确的空间操控性，在生物医学应用中展现出独特优势。尽管磁性微机器人支架系统前景广阔，但其临床转化仍面临两大基本挑战：如何同时实现灵活的管腔导航和支架扩张过程中产生足够的径向力。微尺度下磁驱动固有的物理限制导致其产生的力随尺寸减小呈二次方衰减，严重限制了其在狭窄扩张过程中克服组织阻力的能力。目前的研究探索了结合刺激响应材料的混合驱动机制，但此类方法因在生理温度范围内符合安全要求的相变材料有限而面临转化障碍。因此，开发集精确导航、可控支架部署和足够扩张力产生于一体，同时符合临床安全标准的集成微机器人系统，仍然是一个持续的挑战。

为了突破这些关键限制，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究提出了一种模块化磁性微机器人系统。该系统由两个功能专一的组件构成：一个用于灵活导航的磁性驱动（MA）模块和一个用于狭窄扩张的超声（US）响应支架（ST）模块。研究人员通过高精度三维（3D）打印技术制造了MA模块，使其具有增强的磁响应性；ST模块则在超声刺激下展现出可编程的自膨胀特性。他们进一步通过仿真优化了MA模块的运动性能和ST模块的径向扩张能力。该系统采用了一种由旋转方向控制的动态可调组装机制：顺时针旋转实现集成运动，逆时针旋转则在狭窄部位实现按需模块分离。该平台与术中超声兼容，允许在生理环境中进行实时导航和热触发扩张。

为开展研究，作者团队主要应用了几项关键技术方法：利用基于投影微立体光刻的3D打印技术定制磁性水凝胶前驱体和坚韧水凝胶前驱体，分别用于制造MA模块和ST模块；通过流体-结构相互作用模拟和有限元分析（FEA）分别优化MA模块的推进性能和ST模块的径向刚度；建立集成磁控超声控制平台，结合六自由度机器人臂控制的旋转永磁体系统以及超声成像与聚焦超声（FUS）刺激双探头系统，用于离体实验的导航、成像和触发扩张；采用旋转控制组装策略，通过改变外部旋转磁场方向实现微机器人模块的可靠组装与可控分离；以及开发热敏触发机制，利用热敏水溶性（HWS）凝胶固定压缩状态的ST模块，并通过FUS的声热效应触发其快速自膨胀。研究使用了新鲜猪胆管作为离体验证模型。

设计、优化和表征MA模块

MA模块采用螺旋形状设计，通过3D打印技术制造，其磁性水凝胶前驱体具有良好的磁性能（剩磁约30 emu/g，矫顽力约7219 Oe）。通过流体仿真和实验，研究人员优化了MA模块的结构，例如增加螺旋尾翼以在保留保护帽的同时恢复其手性运动特性（即顺时针和逆时针旋转产生不同方向的推进）。研究表明，MA模块的推进速度与旋转频率和磁场强度呈正相关，并能在一定范围内适应不同流体粘度（1-14 cP），通过调节磁场强度（如增至15 mT）可克服高粘度环境下的“失步”现象，确保在胆汁等生理流体中的可靠运行。

设计、制造和功能表征ST模块

ST模块采用编织网状结构，通过3D打印制造，材料中掺入钽（Ta）微粒以增强生物相容性和医学成像对比度。该模块显示出良好的细胞相容性。通过有限元分析和实验，研究人员系统评估了几何参数（如编织线数量、编织角）对径向刚度的影响，优化后的设计可产生0.516 N/cm的径向力，满足临床需求。ST模块的锚定性能研究表明，其与靶向管腔的尺寸匹配（特别是过盈配合，Δd ≤ 0 mm）对于在流动环境中稳定锚定至关重要。此外，研究团队开发了声热触发自膨胀机制：通过轴向拉伸压缩ST模块并用HWS凝胶固定其变形状态，存储弹性势能；当通过FUS加热使HWS凝胶溶解时，ST模块能在数秒内快速膨胀（如在胆汁中约3秒）。

模块化微机器人组装/分离性能的设计与表征

研究提出“旋转控制组装策略”，通过调控磁场旋转方向实现可控组装与高效分离。MA模块内部设计了钩状结构（基于阿基米德螺旋线切割），当MA模块顺时针旋转时，ST模块被安全地约束在其内部；逆时针旋转时，产生的离心力使ST模块沿螺旋槽分离。研究确定了实现稳健组装和可切换分离的安全工作范围（例如，间隙配合i在100-150 μm，螺旋端角在225°-270°）。分离时间随旋转频率增加而减少（如在10 mT场强下，30 Hz时小于0.2秒），但更高的频率会导致输送精度下降（归一化偏差增大），需要在效率与精度之间权衡。微机器人在多种地形（如60°、90°弯道和分叉）中均表现出稳健的组装稳定性和灵活的运动能力。

在仿体/离体模型中验证导航和支架部署

在模拟胆管的多分支仿体（管腔直径3.5-4.0 mm）中，模块化微机器人成功实现了磁导航、按需分离（逆时针旋转，3秒内完成）和原位扩张（FUS触发，30秒内完成）。在新鲜猪胆管的离体实验中，借助集成的磁控超声平台，研究人员在超声实时引导下，将微机器人通过2.5 mm直径的医用导管部署到胆管中，导航约3.5 cm路径至靶点，逆时针旋转成功分离ST模块，随后FUS刺激（10 W功率）在10秒内触发ST模块扩张，使胆管径向尺寸扩大2.5倍（从0.9 mm至2.18 mm），组织温升仅6°C，在安全范围内。在更长的（13 cm）、具有渐进狭窄和倾斜角度的复杂胆管模型中也验证了系统的鲁棒性。

该研究基于螺旋推进原理（可追溯至Purcell对细菌鞭毛运动的研究），针对现有磁性螺旋微机器人在 cargo（如支架）输送过程中面临的挑战（如反向运动导致意外释放、难以同时满足导航灵活性与扩张力需求），引入了关键创新。模块化设计将导航（MA模块）与扩张（ST模块）功能解耦并优化集成；旋转控制组装策略通过简单改变磁场方向即可可靠切换状态，确保了输送过程中的模块安全与靶点快速释放；整个系统（导航、分离、扩张）与现有医学影像模态（如超声）兼容，为实时监控和精确控制奠定了基础，有助于未来临床转化。

研究结论强调，该模块化磁性微机器人系统通过协同可编程磁驱动、超声介导的扩张和临床工作流程兼容性，能够导航曲折的仿生管道，实现可控的支架部署和有效的狭窄扩张，为胆道狭窄等疾病的微创治疗提供了新范式，推动了微机器人支架输送领域的发展，克服了腔内介入治疗临床转化中的关键障碍。

讨论部分也指出了一些未来可进一步探索的方向，例如开发更精细的磁控微调机制以提升支架放置后的定位精度；应对进一步微型化面临的制造和物理挑战（如表面张力效应）；以及通过表面修饰（如添加RGD序列）赋予ST模块增强细胞结合等功能，拓展其应用潜力。