生醫應用的磁控膠囊機器人，實現多模態響應與多功能集成

膠囊機器人可以通過口服方式抵達胃腸道病灶區域實施醫療功能，為實現胃腸道疾病無痛無創診療和提高患者依從性提供了重要途徑。其中，磁控膠囊機器人技術因其驅動方式具有非接觸、穿透性能好和控制模式豐富等優勢而被認為是最理想的胃腸道疾病診療手段之一。

然而，受制于有限的膠囊空間結構和復雜的胃腸道環境，在小型化和功能化應用需求下，磁控膠囊機器人本體結構設計及外部磁驅動策略開發等均面臨巨大挑戰?，F有磁控膠囊機器人主要采用內置永磁體的賦磁設計模式，普遍存在體積大（尺寸大于#00號膠囊，8.53mm × 23.3mm）、載藥比低以及醫療功能單一等問題，實際應用范圍和療效都受到極大限制。

近期，來自華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心與電氣與電子工程學院的李亮教授、曹全梁教授團隊，提出一種新穎的微型磁控膠囊機器人（膠囊本體最小尺寸僅5.8mm × 13mm），通過創新膠囊機器人內部磁化結構與外部驅動策略，賦予了膠囊機器人主動靶向運輸、定點采樣、多重藥物釋放和磁電/熱轉化激勵等功能，為胃腸道疾病無創診療提供了全新的解決方案。

圖1 磁控膠囊機器人的結構、磁性軟體通道設計和醫學功能示意圖:（a）膠囊結構和組裝過程；（b）通道開閉狀態切換；（c）人體攝入膠囊示意圖；（d）胃部多目標輸運和藥物釋放示意圖；（e）小腸內取樣示意圖。

圖2 自然子刊-Nature Communications發表頁面截圖

2024年2月29日，這一研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”為題發表在《Nature Communications》期刊上。華中科技大學博士生孫宇軒、張望為共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授為共同通訊作者，其他主要合作者還包括，華中科技大學計算機科學與技術學院宋恩民教授、華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院蔡開琳教授、華中科技大學生命科學與技術學院邱武教授，以及華中科技大學電氣與電子工程學院韓小濤教授、呂以亮副研究員、歐陽少威博士后等人。

▍機器人結構設計

與現有普遍采用的內置永磁體賦磁設計模式不同，該研究團隊提出了一項頗具遠見的創新設計理念，即將磁控軟體機器人技術引入膠囊機器人本體結構設計中，這一構想為破解受限膠囊空間內部件集成難題、實現膠囊機器人的微型化和多功能化提供了全新思路。

在該研究中，團隊開發出一種由可變形的磁閥門和固定式的磁鎖組成的雙層磁性軟體通道，其磁化模式分別為軸向磁化（磁鎖）和徑向對稱磁化（磁閥門），并完成了通道密閉性及狀態調控性能測試（圖3）。這種獨特的磁化模式使得在無外加磁場情況下，磁性軟體通道因磁閥門與磁鎖之間的梯度磁場力而自動閉合，確保了膠囊的高密封性。

當施加外部磁場時，磁閥門能夠在磁力矩的作用下產生向上的“U形”變形，從而打開通道實現膠囊內外物質的交換。這一特性確保了所開發膠囊機器人能夠通過外部磁場的激活來實現與胃腸道環境的精準可控交互，且其類似于內開窗的打開模式有效避免復雜胃腸道環境對磁性閥門變形造成的不確定影響，從而保持通道功能的穩定性和可靠性。

圖3 磁控膠囊機器人通道開閉的靈活調控和密閉性測試:（a）磁滯回線測量結果；（b）不同磁場下磁閥門的變形特征；（c）通道開啟磁場測量；（d）磁閥門彎曲角測量；（e）通道臨界壓強測試；（f）密閉性測試示意圖；（g）密閉性測試結果。

與傳統磁閥門依賴外部梯度磁場力的關閉/開啟機制不同，該團隊開發了基于內部梯度磁場力和外部磁力矩競爭式開閉狀態調控方法，實現了無外加磁場下的膠囊通道自閉合，且開啟與外部磁場梯度無關，這一點在遠距離控制中具有更為明顯的優勢，因為磁場梯度會隨著距離的增加而迅速衰減。

▍機器人驅動策略與動態行為

在所開發的磁控膠囊機器人功能實現中，整體結構與局部通道的磁響應扮演了關鍵角色。然而，由于它們共享相同的內部磁化特性和外部磁場，如何獨立且靈活地調節這兩種響應極具挑戰。

在該項研究中，通過磁性軟體通道的單向凈剩磁設計以及頻率響應差異化設計，開發了整體與局部磁動力學響應的解耦調控策略，實現了機器人在低頻磁場下整體運動和高頻磁場下局部變形的獨立控制。

圖4 膠囊機器人的整體-局部磁動力學分析:（a）不同驅動磁場下運動模式示意圖；（b）運動性能測試；（c）錨定性能測試；（d）局部變形和藥物釋放測試。

實驗結果顯示（圖4），所開發膠囊機器人在低頻磁場下（小于5 Hz）展現出優異的可控性和高效的運動表現。同時，該機器人在高頻磁場下（大于30Hz）顯示了出色的錨定性能，這有助于膠囊機器人在目標區域內實施精準、穩定的醫療功能。

以上功能的實現攻克了傳統膠囊機器人運動及功能模式單一、拓展性差等瓶頸，為膠囊機器人的整體主動靶向輸運和局部多模態磁響應提供了關鍵技術支持。

▍機器人功能拓展與模塊化設計

在上述基礎上，研究團隊進一步對膠囊機器人結構和拓展功能進行了探索，實現膠囊機器人動能、光能、熱能多能交互的無內源模塊化設計與功能集成。這種創新設計不僅拓寬了膠囊機器人的應用范圍，還顯著提高了其在生物醫學場景中的靈活性和可控性。

具體而言，研究團隊巧妙地設計了膠囊的局部結構，并通過調控外加磁場頻率，成功賦予了膠囊機器人四類拓展功能：多重藥物釋放、粘液清除、磁電和磁熱轉化激勵（圖5）。這些功能的實現顯示出所開發膠囊機器人技術在多藥物協同治療、增強大分子類藥物吸收以及光/熱輔助治療等方面具有重要應用潛力。

圖5拓展功能展示：多重藥物釋放與低頻靶向運輸-高頻磁電轉化激勵

▍機器人功能驗證與測試

在對膠囊機器人進行功能評估的實驗研究中，團隊先后通過理想模型實驗、動物體外器官模型實驗、動物體內實驗對膠囊機器人靶向運動、定點可控/多重藥物釋放與采樣等醫學功能進行了系列評估，驗證了其在胃腸道疾病診療中的應用潛力（圖6）。

圖6 膠囊機器人功能評估:（a）胃模型中靶向輸運與藥物釋放；（b）活體動物實驗驗證的系統示意圖；（c）實驗現場圖像；（d）藥物釋放前后對比結果。

綜上所述，華中科技大學李亮教授和曹全梁教授團隊攻克了受限膠囊空間內的多功能部件集成、復雜胃腸道環境中的多模態磁響應調控等難題，實現了磁控膠囊機器人的小型化和功能化，已在主動靶向運輸、可控藥物釋放和采樣等方面展現出突出的技術優勢和應用潛力，相關研究成果對于推動磁控膠囊機器人技術發展和臨床應用具有重要意義。

參考文章：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9

審核編輯：劉清