磁性仿生液滴微机器人：具备分裂与胞吐功能的细胞模拟系统及其在靶向治疗中的应用

针对现有微机器人无法模拟细胞生命活动的难题，哈尔滨医科大学团队通过交替磁场调控液滴内磁性微粒群，开发出具有分裂（division）和胞吐（exocytosis）功能的仿生微机器人。该研究实现了气态（G）、链状（C）、阵列（A）和盘状（D）四种集体模式的可逆转换，并成功应用于胆管导航和胆囊靶向给药，为构建人工生命系统及微创医疗提供了新范式。

　　

论文解读
在生命科学与医疗机器人领域，模拟细胞的动态行为一直是重大挑战。现有微机器人虽能模仿细胞运动，却难以复现分裂、分泌等核心生命活动。这种局限性严重制约了微机器人在复杂生理环境（如狭窄胆管）中的应用。自然界中，细胞通过分裂实现增殖，通过胞吐（exocytosis）完成物质运输，这些功能若能被人工系统复现，将突破传统微机器人的生理限制。

哈尔滨医科大学的研究团队在《Research》发表的研究中，提出了一种革命性解决方案：利用交替磁场（alternating magnetic fields）操控液滴内磁性微粒群，构建具有细胞仿生（cell-mimetic）功能的微机器人系统。该机器人不仅能可逆切换气态（G-like）、链状（C-like）、阵列（A-like）和盘状（D-like）四种集体模式，更首次实现了类似细胞的分裂和胞吐行为。通过正交蝶形磁场（OBMF）和振荡磁场（OSMF）的精准调控，微机器人可在胆囊等复杂腔道中完成药物靶向释放，并最终通过磁导航安全撤离。

关键技术方法
研究采用三轴亥姆霍兹线圈（triaxial Helmholtz coil）生成可编程磁场，驱动镍微粒（Ni，100 μm）在十二烷（n-dodecane）液滴中形成动态集群。通过计算流体动力学（CFD）模拟微粒群诱导的流场变化，结合离体猪胆囊实验验证功能。生物安全性通过小鼠体内荧光示踪（DIR标记）和血液生化指标分析评估。

研究结果

1. 多模式变形行为机制
   正交磁场（A_x/A_z≥1时）使微粒群从“之字形”排列（zigzag）转变为链状结构，共振波（resonance wave）导致液滴分裂。流场模拟显示，阵列模式（A-like）下剧烈振荡引发局部流场畸变，驱动微机器人分裂（图2）。

2. 分裂行为调控
   调节水平磁场频率（f_x）可实现可控分裂：当f_x=3 Hz、A_x=10 mT时，10 mm微机器人分裂为2.5 mm子单元（图3B）。相图显示低频场（f_x<2 Hz）仅能形成链状集群（C-like），而高频场（f_x>5 Hz）触发分裂（图3C）。

3. 胞吐功能实现
   磁场强度比γ=A_z/A_x=3时，微粒群偏心聚集引发界面波碰撞，实现定向药物喷射（图4B）。胞吐频率与基质相关：十六烷（hexadecane）微机器人在f_x=4 Hz时达到峰值分泌速率（图4G）。

4. 胆囊内操控验证
   离体实验中，微机器人通过分裂穿越3 mm狭窄胆管（图6C），并通过胞吐将药物递送至胆囊壁（图7B）。生物安全性分析显示48小时内荧光信号完全代谢，血液指标（ALT、ALB等）无显著异常（图8）。

结论与意义
该研究首次将细胞生命活动（分裂、胞吐）赋予人工微机器人系统，其核心突破在于：

1. 物理机制创新：通过表面波（surface wave）与磁性微粒群的耦合作用，复现了细胞动态行为；
2. 医疗应用潜力：胆管导航和靶向给药验证了其在深部组织治疗中的可行性；
3. 人工生命探索：为构建具有“生命力”的机器人提供了新范式。

未来需结合磁粒子成像（MPI）等技术提升体内追踪精度，但该研究已为微创医疗和仿生机器人开辟了全新路径。