无线供电的软磁机器人，配备微针用于电刺激和药物输送

《Advanced Intelligent Systems》：Wirelessly Powered Soft Magnetic Robot with Microneedle for Electrical Stimulation and Drug Delivery

胃肠动力障碍和炎症疾病的新型治疗系统：磁驱动软膜机器人结合微针药物递送与电刺激

　　该研究提出了一种新型的软体磁驱动机器人，旨在解决胃肠道（GI）运动障碍和炎症性疾病的治疗难题。这种机器人结合了磁驱动技术与微针介导的电刺激和药物递送，能够在复杂的胃肠道环境中实现精准、非侵入性的治疗。该系统通过外部磁场实现远程操控，能够根据需求切换治疗表面与平滑表面，从而在需要时穿透胃肠道壁进行电刺激，并在移动时减少阻力。此外，该机器人还具备无线能量传输能力，使得其能够在不依赖电池的情况下长时间运行，这为胃肠道内复杂治疗任务提供了更大的灵活性和安全性。

传统的胃肠道疾病治疗手段，如口服药物和静脉注射，存在诸多局限性。口服药物常常在胃肠道的强酸性环境中被降解，导致药效减弱或吸收不均，而静脉注射则难以精准地作用于特定病变部位。相比之下，电刺激疗法已被证明在改善胃肠道蠕动方面具有潜力，例如在治疗胃轻瘫等疾病时表现出良好的效果。然而，目前的电刺激设备通常需要侵入性操作，这可能带来感染、组织损伤等风险，限制了其在临床中的广泛应用。因此，开发一种非侵入、可精准控制的治疗系统成为研究的重要方向。

软体机器人技术近年来取得了显著进展，为微创医疗设备的设计提供了新的思路。这类机器人通常采用柔软、可变形的材料，使其能够适应人体内部复杂的生理环境。磁驱动软体机器人尤其受到关注，因其可通过外部磁场实现远程操控，从而避免了传统机械控制方式的局限性。然而，现有的磁驱动软体机器人在胃肠道这种狭窄且动态的环境中仍面临导航、能量供应和多模式治疗能力等方面的挑战。为了克服这些问题，研究人员设计了一种新型的磁驱动软体膜机器人（WSMR），该系统通过整合多种功能模块，实现了更高效的治疗效果。

WSMR的核心设计包括三个关键部分：磁驱动层、无线能量传输模块和微针阵列。磁驱动层采用双极磁化技术，使得机器人能够在外部磁场的作用下切换表面形态，从而实现两种不同的治疗模式。当机器人需要进行治疗时，其N极会引导带有微针的治疗面接触胃肠道壁，以完成电刺激和药物释放；而在移动过程中，S极则启动平滑表面，以减少与肠道壁的摩擦，提高运动效率。无线能量传输模块则利用磁耦合谐振技术，实现了远距离（6厘米）的能量供应，其传输效率高达86.7%。该模块能够提供0到20伏的可调电压，并支持0.4到50毫秒的脉冲波形调节，使得机器人能够根据患者的具体需求进行个性化治疗。

微针阵列是WSMR的另一个重要组成部分，它不仅用于穿透胃肠道壁，还承担了电极的功能。微针的设计使得机器人能够在接触组织时保持稳定的电极-组织界面，从而确保电刺激的有效性。同时，微针中封装的药物可以在穿透过程中被释放，实现药物和电刺激的同步治疗。这种双功能设计显著提高了治疗的针对性和效果。为了验证该系统的可行性，研究人员在新鲜猪肠道模型中进行了实验，结果表明WSMR能够在模拟的胃肠道环境中有效地进行多模式运动和治疗操作。

实验结果显示，WSMR的微针能够根据外部磁场的强度进行精确控制，从而实现对肠道组织的穿透。在实验中，研究人员发现当磁场强度超过150毫特斯拉时，微针可以完全穿透小肠组织，而较低的磁场强度则仅能实现部分穿透。此外，通过调节脉冲宽度和电压，研究人员能够精确控制电刺激的强度和频率，以适应不同的治疗需求。实验数据表明，当电压设定为12伏、脉冲宽度为10毫秒、频率为10赫兹时，电刺激能够有效激活平滑肌细胞，而不造成细胞损伤。然而，当电压进一步提高至15伏以上时，细胞结构会受到破坏，表明在临床应用中必须严格控制电刺激参数，以确保治疗的安全性。

为了进一步验证WSMR在实际环境中的表现，研究人员在模拟的胃肠道环境中进行了实验，包括胃液模拟和肠道组织的生物相容性测试。实验结果显示，WSMR在通过生物组织时仍能保持较高的能量传输效率，并且其微针能够在不同角度下实现稳定的药物释放。此外，通过调节磁场方向和强度，WSMR能够实现多种运动模式，如滚动、蠕动和牵引运动，从而适应胃肠道的复杂地形。这些运动能力不仅提高了机器人的灵活性，还增强了其在实际应用中的适应性。

WSMR的制造过程采用了多种先进的微制造技术，包括光刻、转移印刷和精密成型等。这些技术使得机器人具备了薄型、高柔性和模块化的特点，从而能够被封装在000号的明胶胶囊中，实现口服给药。胶囊在胃液环境中会逐渐降解，释放出WSMR，使其能够在胃肠道中展开并开始工作。为了确保机器人在胃肠道中的稳定运行，研究人员还设计了专门的接收电路和能量转换模块，这些模块能够有效地将无线能量转化为电刺激信号，并通过微针阵列实现精准释放。

在实验过程中，研究人员使用了多种检测手段来评估WSMR的性能。例如，通过组织切片和苏木精-伊红（H&E）染色，研究人员能够观察微针穿透组织后的细胞变化，从而验证其药物释放效果。此外，通过电生理监测和力学测试，研究人员能够评估电刺激对胃肠道平滑肌的影响，并确定最佳的刺激参数。实验数据表明，电刺激能够显著提高肠道组织的收缩力，同时保持细胞的完整性，这为WSMR在临床中的应用提供了有力的支持。

WSMR的设计不仅考虑了治疗效果，还注重了安全性和实用性。为了确保治疗过程的安全，研究人员对电刺激参数进行了严格控制，并在实验中验证了其在不同条件下的表现。此外，WSMR的模块化设计使其能够根据不同疾病需求进行调整和优化，从而提高其在实际应用中的适应性。这种灵活性使得WSMR能够成为一种多功能的医疗设备，适用于多种胃肠道疾病。

尽管WSMR在实验中表现出良好的性能，但其在实际临床应用中仍需进一步研究和优化。例如，如何提高无线能量传输的效率，如何增强微针在复杂环境中的穿透能力，以及如何确保长期运行中的稳定性和安全性，都是未来需要解决的问题。此外，研究人员还提到，需要进一步探索WSMR在不同患者群体中的适用性，包括其对不同胃肠道结构的适应能力以及对不同药物释放需求的响应速度。

总体而言，WSMR的出现为胃肠道疾病的治疗提供了一种全新的解决方案。通过整合磁驱动、无线能量传输和微针技术，WSMR能够在非侵入性条件下实现精准的电刺激和药物释放，从而提高治疗效果并减少患者不适。该系统的成功开发不仅推动了软体机器人在医疗领域的应用，还为未来的个性化医疗和微创治疗技术奠定了基础。随着进一步的研究和优化，WSMR有望成为胃肠道疾病治疗的重要工具，为患者带来更高效、更安全的治疗体验。