可编程磁性水凝胶机器人：兼具药物递送与生理传感功能的突破性生物医学工具

香港大学研究团队针对磁性软机器人(MHRs)在几何形状编程、磁化分布控制及功能模块集成等难题，开发了基于共价交联的磁化水凝胶-弹性体膜离散组装策略。该MHRs能实现复杂变形、固体/液体药物精准递送，并集成超薄多功能微电子器件实现生理传感，为植入式电子平台和机器人系统提供了全新解决方案。

　　

在生物医学工程领域，磁性软机器人因其机械柔顺性和无线操控特性，已成为靶向给药和微创手术的新兴工具。然而现有系统面临三大瓶颈：传统弹性体基质缺乏生物功能，水凝胶机器人的异质结构制备困难，以及传感模块与柔性本体的兼容性矛盾。这些限制严重阻碍了机器人在复杂生理环境中的应用效能。

香港大学的研究团队在《Materials Today》发表的研究中，创新性地提出"磁化水凝胶-弹性体膜"的离散组装策略。通过共价交联构建稳健界面，实现了几何形状与磁化分布的可编程控制，同时保留水凝胶的多孔亲水特性。更突破性地将厚度仅微米级的多功能微电子无缝集成到机器人系统中，首次构建出兼具药物递送与生理传感能力的闭环诊疗平台。

关键技术包括：1) 硅包覆NdFeB硬磁颗粒制备技术；2) 苯并酮介导的紫外共价交联组装工艺；3) 转印集成的微电子制造技术；4) 基于有限元分析(FEA)的机械-磁耦合模型；5) 超疏水/超亲水Janus结构构建技术。所有实验均采用NIH 3T3成纤维细胞验证生物安全性。

【结果部分】

1. 机器人构建与界面特性
   通过振动样品磁强计(VSM)证实ANF-PVA水凝胶在20wt% NdFeB含量下具有27.2kA m^-1
   剩磁。180°剥离测试显示界面断裂能达120J/m²
   ，确保变形过程中组件稳定性。

2. 多模式药物递送
   • 固体药物：五足机器人通过磁控折叠实现胶囊包裹运输
   • 液体药物：多孔网络负载罗丹明(水溶性)和油红O(脂溶性)药物，在50mT/1000Hz交变磁场下释放速率提升300%
   • Janus结构操控：超疏水PDMS膜与亲水水凝胶组合实现液滴采样-运输-混合全流程操作

3. 生理传感集成
   转印集成的微电子阵列包含：

• 生物电极：皮肤接触阻抗200kΩ(100Hz)，媲美商用凝胶电极
• 温度传感器：金基电阻式检测，精度±0.1℃
• 水合传感器：同轴点环结构监测皮肤水合衰减动力学

1. 理论模型验证
   建立简支梁力学模型，解析磁矩(μ=M×V)与弹性体厚度(T_e
   )的关系。FEA模拟显示反向变形时能量释放率<2J/m²
   ，远低于界面韧性。

【结论与展望】
该研究突破了磁性水凝胶机器人领域的三重技术壁垒：1) 通过模块化组装实现复杂磁化编程；2) 保持90%孔隙率的同时整合驱动功能；3) 微电子集成不影响本体力学性能。所开发的Janus结构液体操控平台和闭环传感-给药系统，为精准医疗提供了新范式。

未来发展方向包括：1) 开发可降解磁响应材料；2) 集成无线供能模块；3) 构建高密度电极阵列。这项技术不仅推动植入式机器人发展，更为"器官芯片"和体外诊断系统提供了创新工具包。研究团队特别指出，其方法学具有普适性，可扩展至纤维素等天然高分子体系，这对绿色医疗设备的开发具有深远意义。