華科大李亮教授、曹全梁教授團隊 Nat. Commun.：微型磁控膠囊機器人實現(xiàn)多模態(tài)響應(yīng)與多功能集成
2024-03-12 來源：高分子科技
近期，華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場科學(xué)中心、電氣與電子工程學(xué)院李亮教授與曹全梁教授團隊開發(fā)出微型磁控膠囊機器人（最小尺寸僅5.8×13mm），并實現(xiàn)了集主動靶向運輸、定點采樣和多重藥物釋放等醫(yī)療功能于一體，在胃腸道疾病無創(chuàng)診療中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。2024年2月29日，該研究成果以“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。華中科技大學(xué)博士生孫宇軒、張望為論文共同第一作者，李亮教授和曹全梁教授為共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和國家脈沖強磁場科學(xué)中心學(xué)科交叉基金的資助。相關(guān)成果曾榮獲2023年全國大學(xué)生機器人科技創(chuàng)新交流營暨機器人大賽特等獎、“申昊杯”第五屆中國研究生機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎等榮譽。
不同于現(xiàn)有磁控膠囊機器人，本研究將磁控軟體機器人技術(shù)引入到膠囊結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在傳統(tǒng)密閉式膠囊本體結(jié)構(gòu)中構(gòu)造了獨特的磁性軟體通道（由雙層硬磁性軟體復(fù)合材料構(gòu)成），并通過梯度磁場力和磁力矩競爭式通道開閉狀態(tài)調(diào)控方法，實現(xiàn)無磁場下的膠囊通道自關(guān)閉和外加磁場下的柔性可控開啟，為破解膠囊內(nèi)腔與胃腸道環(huán)境間物質(zhì)雙向交互難題提供了有效途徑。
同時，通過磁性軟體通道的單向凈剩磁設(shè)計以及整體-局部磁動力學(xué)響應(yīng)解耦式驅(qū)動，攻克了傳統(tǒng)膠囊機器人運動及功能模式單一、拓展性差等瓶頸，為實現(xiàn)膠囊機器人整體主動靶向輸運和局部多模態(tài)磁響應(yīng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
在上述基礎(chǔ)上，該項研究先后通過理想模型實驗、動物體外器官模型實驗、動物體內(nèi)實驗對膠囊機器人靶向運動、定點可控藥物釋放與采樣等醫(yī)學(xué)功能進行了系列評估，驗證了其在胃腸道疾病診療中的應(yīng)用潛力。
此外，該膠囊機器人還采用了無內(nèi)源模塊化設(shè)計，通過跨尺度磁場頻率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)磁-動-光/熱能多能交互的功能集成，并驗證了其在多重藥可控釋放、消化道粘液清除以及磁電/熱轉(zhuǎn)化激勵等功能中的應(yīng)用，為推動未來胃腸道疾病無創(chuàng)診療技術(shù)創(chuàng)新和突破提供了重要途徑。
拓展功能展示：多重藥物釋放與低頻靶向運輸-高頻磁電轉(zhuǎn)化激勵
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46046-9
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（責(zé)任編輯：xu）
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