哈工大&港中文聯(lián)手登頂《Science子刊》|3D打印水凝膠立大功：藥物體內(nèi)輸送

來源： EngineeringForLife

細(xì)胞療法是指將細(xì)胞作為活體來替代受損組織、調(diào)節(jié)生物功能和抗擊疾病，近年來，細(xì)胞療法作為一種前景廣闊的治療策略備受關(guān)注。例如，移植人類膽道上皮細(xì)胞可治療膽道疾病，嵌合抗原受體 T 細(xì)胞療法可用于癌癥治療，而干細(xì)胞療法有望在內(nèi)源性組織修復(fù)方面帶來益處。要充分發(fā)揮細(xì)胞療法的治療效果，細(xì)胞的輸送途徑起著重要作用，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懠?xì)胞的歸巢、存活和旁分泌功能。全身給藥是應(yīng)用最廣泛的細(xì)胞給藥方法之一，可根據(jù)血管途徑（即靜脈和動(dòng)脈）進(jìn)一步定義。然而，由于移植細(xì)胞從血液到組織的遷移率較低，在肝、肺、脾中的滯留率較高，因此其歸巢率和存活率并不令人滿意，細(xì)胞功能的維持也無法保證。與全身給藥相比，通過局部注射（如肌內(nèi)注射、心內(nèi)注射和腹膜內(nèi)注射）或細(xì)胞負(fù)載支架植入手術(shù)進(jìn)行局部給藥理論上具有較高的給藥效率，因而更具吸引力。與嚴(yán)重依賴細(xì)胞向損傷組織遷移能力的局部注射相比，細(xì)胞支架（CSs）移植的不確定性較小，但涉及的開放手術(shù)過程具有創(chuàng)傷性和臨床風(fēng)險(xiǎn)，可能給患者帶來痛苦和后遺癥，并需要較長的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)前，磁性微型機(jī)器人有望為基于細(xì)胞的微創(chuàng)療法帶來益處。然而，它們通常在磁響應(yīng)性和生物醫(yī)學(xué)功能之間不可避免地存在權(quán)衡。

來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的金東東和來自香港中文大學(xué)的Kai Fung Chan和張立團(tuán)隊(duì)合作報(bào)告了一種模塊化微機(jī)器人，它由磁驅(qū)動(dòng)（MA）模塊和細(xì)胞支架（CS）模塊組成。本研究利用3D打印技術(shù)制作了具有強(qiáng)磁性和 pH 響應(yīng)變形能力的 MA 模塊和具有細(xì)胞裝載-釋放功能的 CS 模塊，隨后，通過設(shè)計(jì)軸孔結(jié)構(gòu)和定制相對(duì)尺寸來組裝模塊，從而在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)磁輸送，同時(shí)不降低細(xì)胞功能。然后在目標(biāo)病灶處實(shí)現(xiàn)按需拆卸，以方便 CS 模塊的輸送和 MA 模塊的回收。此外，還在活體兔模型的膽管中驗(yàn)證了所提系統(tǒng)的可行性。因此，這項(xiàng)研究提出了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的策略，能夠無損地制造多功能微機(jī)器人，并促進(jìn)其在未來細(xì)胞療法中的發(fā)展。相關(guān)工作以題為“Modularized microrobot with lock-and-detachable modules for targeted cell delivery in bile duct”的文章發(fā)表在2023年12月15日的國際頂級(jí)期刊《Science Advances》。

1. 創(chuàng)新型研究內(nèi)容
本研究開發(fā)了一種模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由專門的模塊（即 MA 模塊和 CS 模塊）組成，旨在為靶向細(xì)胞遞送提供多功能特性，并通過分工與合作解決不同功能之間的折衷問題（圖 1）。這兩個(gè)模塊都是通過3D打印技術(shù)定制和制造的，并相應(yīng)設(shè)計(jì)了兩種水凝膠打印前體，以滿足所需的功能，并實(shí)現(xiàn)分辨率約為 30 μm 的高精度制造。具體而言，MA 模塊通過引入豐富的釹鐵硼硬磁摻雜劑和懸垂羧基分子基團(tuán)，分別具有強(qiáng)磁響應(yīng)性和 pH 觸發(fā)變形性，而 CS 模塊則具有良好的生物相容性和生物降解性，可用于細(xì)胞的裝載和釋放。通過設(shè)計(jì)模塊的軸孔結(jié)構(gòu)、定制模塊的相對(duì)尺寸以及調(diào)節(jié)環(huán)境 pH 值，MA 和 CS 模塊能夠以可控的方式組裝成多功能模塊化微機(jī)器人。

本研究以膽管（BD）中的細(xì)胞輸送作為概念驗(yàn)證，首先通過導(dǎo)管將獲得的微型機(jī)器人部署到目標(biāo)病灶附近，然后在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下在狹窄曲折的管道中進(jìn)行穩(wěn)健輸送，這是傳統(tǒng)介入導(dǎo)管術(shù)難以達(dá)到的（第一階段）。模塊的穩(wěn)健組裝得到了全程保證，以便通過 MA 模塊的螺旋推進(jìn)，在粘性和流動(dòng)環(huán)境中順利運(yùn)輸 CS 模塊。一旦微型機(jī)器人到達(dá)存在酸性環(huán)境的目標(biāo)部位，其組裝狀態(tài)將通過 MA 模塊的 pH 響應(yīng)收縮解除鎖定，然后額外引入低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使可生物降解的 CS 模塊脫離，以進(jìn)行細(xì)胞治療（第 2 階段）。在最后階段，分離的 MA 模塊被輸送回導(dǎo)管并進(jìn)一步回收，從而將潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)和長期副作用降至最低。在X射線透視或超聲（US）成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)引導(dǎo)下，包括磁輸送、按需拆卸和術(shù)后回收微型機(jī)器人在內(nèi)的整個(gè)過程在豬體外BD和兔體內(nèi)BD中得到了進(jìn)一步的成功驗(yàn)證。因此，在模塊化設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種同時(shí)賦予微機(jī)器人卓越的MA能力和細(xì)胞功能而不損害它們的策略，這可能對(duì)未來開發(fā)基于細(xì)胞的無創(chuàng)靶向治療BD疾病大有裨益。

圖1 用于 BD 靶向細(xì)胞輸送的模塊化微型機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

【設(shè)計(jì)、制造和鑒定專用模塊】

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)令人滿意的驅(qū)動(dòng)和生物功能，本研究對(duì)模塊的組件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。如前所述，模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)由兩個(gè)模塊組成（圖 2A），即具有主動(dòng)移動(dòng)性的軸狀 MA 模塊和具有生物相容性和生物降解性的孔狀 CS 模塊，前者充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)，后者用于攜帶細(xì)胞。本研究利用基于投影微立體光刻技術(shù)的3D打印技術(shù)制造模塊，這種技術(shù)使我們能夠以高分辨率定制復(fù)雜的亞毫米結(jié)構(gòu)。本研究開發(fā)了兩種水凝膠前體，即 pH 響應(yīng)磁性水凝膠前體和可生物降解水凝膠前體，分別滿足 MA 和 CS 模塊的需求（圖 2B）。pH 響應(yīng)磁性水凝膠前體由丙烯酸 (AAc)、甲基丙烯酸 (MAAc)、N-異丙基丙烯酰胺 (NIPAAM)、乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯 (TMP6EOTA)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)、苯基雙（2,4,6-三甲基苯甲�；�）氧化膦 (Irgacure 819) 和釹鐵硼微粒組成。在印刷過程中，光引發(fā)劑 Irgacure 819 在紫外線照射下被激發(fā)產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)交聯(lián)劑 TMP6EOTA 和單體 AAc、MAAc 以及 NIPAAM 之間的聚合反應(yīng)，進(jìn)而構(gòu)成水凝膠框架。由于從 AAc 和 MAAc 中引入了陰離子懸垂（羧基）基團(tuán)，制備的水凝膠具有 pH 響應(yīng)特性。當(dāng)環(huán)境的 pH 值高于它們的酸解離常數(shù)（pKa）時(shí)，羧基就會(huì)電離，相互之間產(chǎn)生靜電斥力，導(dǎo)致水凝膠發(fā)生膨脹行為。本研究通過掃描電子顯微鏡（SEM）評(píng)估了 pH 響應(yīng)磁性水凝膠前體的 3D 打印性能，如圖 2C 所示。圖 2C 可以清楚地觀察到制作的 MA 模塊的結(jié)構(gòu)，包括軸桿和螺紋，這與設(shè)計(jì)的形態(tài)一致。這些結(jié)構(gòu)證明了 pH 響應(yīng)水凝膠前體 3D 打印的保真度和精度，分辨率高達(dá) 30 μm。

圖2 專用模塊的 3D 打印和表征

【利用專用模塊按需組裝和拆卸模塊化微型機(jī)器人】

在實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)功能模塊的制造之后，本研究關(guān)注了模塊的按需組裝和拆卸。本研究設(shè)計(jì)了MA模塊和CS模塊相應(yīng)的軸狀和孔狀形狀，將這兩個(gè)模塊整合為一個(gè)模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)（圖3A）。細(xì)胞首先通過 GelMA 的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）基團(tuán)與細(xì)胞上的整合素受體相互作用，粘附并擴(kuò)散到 CS 模塊上，這在生物學(xué)上是穩(wěn)定和安全的。然后，可定制孔形狀的 CS 模塊可與軸狀 MA 模塊機(jī)械固定，形成模塊化微機(jī)器人。這種細(xì)胞裝載策略不僅有利于大量裝載細(xì)胞，提高細(xì)胞治療的運(yùn)輸效率，還能最大限度地減少輸送細(xì)胞的意外損失。模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)中模塊的組裝和拆卸都是可控的。具體來說，在3D打印后，首先用酸性緩沖液處理 MA 模塊，使其體積收縮，便于將其插入 CS 模塊的孔中。在本研究中，CS 模塊的孔的內(nèi)徑固定為 850 μm（dc），而軸狀 MA 模塊的軸桿在中性環(huán)境下的尺寸從 650 μm 到 1150 μm（dm）不等。因此，兩個(gè)模塊之間存在不同的干涉配合，即 i = dm - dc（從 -200 μm 到 300 μm），可用于調(diào)節(jié) MA 和 CS 模塊之間的鎖定強(qiáng)度。如圖 3B 所示，在依次將 MA 模塊收縮、插入 CS 模塊并膨脹后，微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的改變，包括前進(jìn)、后退、掉頭和滾動(dòng)，都會(huì)改變模塊化微機(jī)器人的裝配狀態(tài)，這取決于 i 的值，可以發(fā)現(xiàn) i 存在一個(gè)臨界值（即 160 μm，圖 3B 中的紅色虛線），在此臨界值之上，無論運(yùn)動(dòng)模式如何，都能保證 MA 模塊和 CS 模塊之間的牢固鎖定（綠點(diǎn)區(qū)域）。相比之下，當(dāng) i 小于 160 μm 時(shí)，MA 模塊很容易與 CS 模塊分離（紅色交叉區(qū)域），尤其是在回轉(zhuǎn)和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，從而導(dǎo)致微機(jī)器人組裝失敗。因此，這些結(jié)果為微型機(jī)器人模塊的尺寸設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，CS 模塊的內(nèi)徑和 MA 模塊的軸桿直徑（中性環(huán)境下）分別設(shè)計(jì)為 850 微米和 1050 微米，這使得模塊化微機(jī)器人的集成易于實(shí)現(xiàn)，并且在微機(jī)器人驅(qū)動(dòng)過程中裝配穩(wěn)固。在鎖定 MA 和 CS 模塊后，本研究關(guān)注了模塊化微機(jī)器人在不同旋轉(zhuǎn)頻率、粘性環(huán)境和模擬 BD 內(nèi)生物條件的流動(dòng)液體中的 MA 性能。首先，本研究在環(huán)境 pH 值為 7.0 的檸檬酸鈉緩沖液中研究了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率對(duì)微機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響（圖 3C）。在 5 mT 的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，將旋轉(zhuǎn)頻率從 5 Hz 提高到 25 Hz 可加快微機(jī)器人的平均平移運(yùn)動(dòng)速度，最大速度可達(dá) 6.5 mm/s。但值得注意的是，將旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)一步提高到 30 Hz 會(huì)使微機(jī)器人失去與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步性（即”跳出”現(xiàn)象），從而導(dǎo)致速度下降。

圖3 利用專用模塊對(duì)模塊化微型機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)健組裝和可控拆卸

【在解剖 BD 模型中對(duì)模塊化微型機(jī)器人的定向輸送、按需釋放和安全回收進(jìn)行體外驗(yàn)證】

為了驗(yàn)證所開發(fā)的模塊化微型機(jī)器人系統(tǒng)，本研究首先在充滿無菌生理鹽水的模擬 BD 模型中評(píng)估了其驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)性能（圖 4A）。模塊化微型機(jī)器人首先通過一根靈活的醫(yī)用導(dǎo)管（內(nèi)徑 2 毫米）注入 BD 模型。在頻率為 13 Hz、最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為 27 mT 的外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，微機(jī)器人在模擬管道中表現(xiàn)出有效的螺旋運(yùn)動(dòng)。通過精心控制旋轉(zhuǎn)球形磁鐵的位置和姿態(tài)，模塊化微機(jī)器人可以精確地輸送到 BD 模型的任意分支，包括肝 BD（左側(cè)和右側(cè)）和囊性 BD。在初步進(jìn)入膽囊管后，微機(jī)器人被磁力引導(dǎo)回到分叉前的位置，隨后推進(jìn)到其他分支，分叉角度達(dá)到57.2°，內(nèi)徑從2.8毫米縮小到1.7毫米。因此，可以得出結(jié)論，所開發(fā)的模塊化微型機(jī)器人系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的模擬膽道中靈巧運(yùn)動(dòng)和選擇性輸送。接下來，為了系統(tǒng)地研究模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)的輸送能力，本研究通過將位于最遠(yuǎn)分支的左肝管定義為目標(biāo)病灶，演示了包括目標(biāo)輸送、按需釋放 CS 模塊和精確回收 MA 模塊在內(nèi)的完整過程（圖 4A）。如藍(lán)色區(qū)域所示，BD 模型中設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)處的 pH 值設(shè)定為 5。圖 4B（i 至 vi）展示了具有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模塊化微型機(jī)器人最初通過導(dǎo)管部署在管道的起點(diǎn)（i），然后根據(jù) MA 模塊對(duì)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)磁響應(yīng)，在狹窄的管道中穿過三個(gè)分叉（ii）。在通過一個(gè) 90° 拐角后，微機(jī)器人在 3 分鐘內(nèi)成功進(jìn)入目標(biāo)分支（iii）。此時(shí)，環(huán)境 pH 值變?yōu)?5，促使 MA 模塊體積收縮，解除了模塊化微機(jī)器人的組裝狀態(tài)。同時(shí)施加頻率相對(duì)較低的 10 Hz、強(qiáng)度為 27 mT 的磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人擺動(dòng)，最終使 CS 模塊與微機(jī)器人分離（iv）。這樣的拆卸過程成功地將裝載細(xì)胞的功能模塊送到了目標(biāo)位置，用時(shí)約 10 秒，表明本研究的酸-磁刺激-組合分離策略是有效的。最后，將單個(gè) MA 模塊移回初始部署位置并用導(dǎo)管收回，分別如圖 4B、v 和 vi 所示，這有助于將磁性材料的潛在副作用降至最低。

為了進(jìn)一步揭示本研究提出的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，本研究使用一個(gè)由非交互模塊組成的微機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。為此，本研究將干擾擬合值 i 設(shè)為 -110 μm，這樣當(dāng) MA 模塊浸入中性緩沖液時(shí)，就無法通過相互作用力將其鎖定在 CS 模塊內(nèi)部（圖 4C）。此時(shí)，CS 模塊的運(yùn)輸只能在向前運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄蚝筮\(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致 CS 模塊掉落，這與上文提到的模塊化微機(jī)器人形成了鮮明對(duì)比。圖 4D展示了兩種微機(jī)器人在 BD 模型中穿越分叉點(diǎn)時(shí)的代表性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，模塊化的微型機(jī)器人系統(tǒng)在進(jìn)行后退運(yùn)動(dòng)以微調(diào)其位置后，仍能保持裝配狀態(tài)并成功運(yùn)送CS模塊，而沒有聯(lián)鎖連接的微型機(jī)器人則未能將貨物運(yùn)送過分叉口。本研究還進(jìn)行了定量分析，通過計(jì)算CS模塊進(jìn)入四個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的位置（包括部署位置和三個(gè)遠(yuǎn)端分叉點(diǎn)）的比率來比較它們的運(yùn)送效率。如圖 4E 所示，所有模塊化微型機(jī)器人組都成功地將 CS 模塊送到了 BD 模型的指定位置。相比之下，隨著微機(jī)器人依次通過分叉點(diǎn)，對(duì)照組的進(jìn)入率明顯下降（第一個(gè)和第二個(gè)分叉點(diǎn)的進(jìn)入率分別為 50%和 25%），沒有一個(gè) CS 模塊能被送到最遠(yuǎn)的一個(gè)分叉點(diǎn)。因此，通過相互作用的 MA 和 CS 模塊之間的專業(yè)化和合作，本研究的模塊化系統(tǒng)不僅能夠在曲折、多分支和狹窄的管腔中進(jìn)行穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)、有針對(duì)性的輸送和安全的回收，還能防止藥物在輸送過程中過早丟失。

圖4 在3D打印的 BD 模型中進(jìn)行磁輸送、按需拆卸和回收微型機(jī)器人的體外演示

【模塊化微型機(jī)器人在醫(yī)學(xué)成像模式引導(dǎo)下在體外 BD 組織中的演示】

本研究對(duì)模塊化微型機(jī)器人系統(tǒng)在活體豬 BD 中的可行性進(jìn)行了評(píng)估。膽總管是連接十二指腸、脾臟、膽囊和肝臟的重要通道，因此被用作概念驗(yàn)證。當(dāng)膽管受到損傷時(shí)，一般會(huì)采用導(dǎo)管輔助介入療法，通過細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)來修復(fù)和愈合傷口。然而，狹窄的通道和多個(gè)分叉嚴(yán)重限制了導(dǎo)管在遠(yuǎn)端膽管的輸送和定向進(jìn)入，從而給有效、安全的細(xì)胞治療帶來了顯著的挑戰(zhàn)。本研究開發(fā)了一種基于模塊化微型機(jī)器人的成像引導(dǎo)平臺(tái)，以進(jìn)入傳統(tǒng)技術(shù)難以到達(dá)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn) BD 內(nèi)的微創(chuàng)細(xì)胞輸送。如圖 5A所示，除了活體豬 BD 被放置在一個(gè)人造模型內(nèi)以保持安全工作距離和防止意外碰撞外，該平臺(tái)主要由三部分組成，即前面所述的模塊化微機(jī)器人系統(tǒng)、臨床成像設(shè)備（X 射線透視和 US 成像）以及將旋轉(zhuǎn)球形磁鐵集成在六軸機(jī)械臂上的磁力控制系統(tǒng)。為了觀察模塊化微機(jī)器人在組織內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，本研究首先使用了診斷 BD 擴(kuò)張的常用技術(shù) X 射線透視來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微機(jī)器人的狀況（圖 5B）。管腔內(nèi)填充了造影劑（水合二苯甲酸鈉溶液），以便在 X 射線下對(duì) BD 進(jìn)行成像。從實(shí)驗(yàn)透視圖像（圖 5C）中，可以清晰地從周圍組織中分辨出 BD 的路徑和分支方向，這將為微機(jī)器人系統(tǒng)的定向輸送提供全局環(huán)境信息。豬 BD 的內(nèi)徑從 2 毫米到 10 毫米不等，存在一個(gè)角度約為 34°的分叉。在本研究的實(shí)驗(yàn)中，模塊化微型機(jī)器人首先在導(dǎo)管（i）的輔助下部署到普通 BD 中。由于嵌入的釹鐵硼磁性顆粒具有不透射線的特性，微機(jī)器人的 MA 模塊可以從背景對(duì)比中識(shí)別出來(ii)，從而實(shí)現(xiàn)在生物組織內(nèi)的 X 射線引導(dǎo)輸送。然后，通過調(diào)節(jié)機(jī)械臂的位置和姿勢(shì)，微機(jī)器人系統(tǒng)被磁力引導(dǎo)到以下分叉點(diǎn)，并推進(jìn)到導(dǎo)管難以到達(dá)的肝管末端(iii)。微機(jī)器人在約10厘米長的距離內(nèi)航行大約需要1分鐘，這表明模塊化微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率很高。此外，通過磁力引導(dǎo)微機(jī)器人回到導(dǎo)管（iv）附近并隨后在 1 分鐘內(nèi)進(jìn)入導(dǎo)管（v），也證明了可回收過程。這些結(jié)果驗(yàn)證了利用所開發(fā)的微機(jī)器人平臺(tái)在 BD 真實(shí)管腔中對(duì)模塊化微機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和跟蹤的可行性。

圖5 在醫(yī)學(xué)成像模式的引導(dǎo)下，在豬 BD 中對(duì)模塊化微型機(jī)器人的磁性運(yùn)動(dòng)和拆卸進(jìn)行體內(nèi)外演示

【利用兔 BD 模型對(duì)模塊化微型機(jī)器人進(jìn)行體內(nèi)驗(yàn)證】

在豬 BD 體外的研究結(jié)果表明，本研究的模塊化微型機(jī)器人能夠通過磁場(chǎng)進(jìn)行可控輸送和拆卸，并且在 X 射線和 US 成像的實(shí)時(shí)跟蹤下清晰可見。然而，這種評(píng)估方法并沒有充分考慮臨床經(jīng)驗(yàn)、結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究提出的系統(tǒng)在真實(shí)場(chǎng)景下的性能，本研究使用兔子模型進(jìn)行了體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)（圖 6A 和 B）。實(shí)驗(yàn)前，通過 6 英尺導(dǎo)管注入造影劑，獲得了兔子 BD 的 X 射線圖像（圖 6C），從而可以詳細(xì)查看導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。模塊化微型機(jī)器人的目標(biāo)位置選擇在總 BD 遠(yuǎn)端，該處表現(xiàn)出循環(huán)蠕動(dòng)并含有流動(dòng)的膽汁。往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期約為 3 秒，膽汁在總膽管中的平均流速約為 83 μl/min。在實(shí)驗(yàn)過程中，模塊化微型機(jī)器人通過導(dǎo)管（內(nèi)徑 1.8 毫米）部署在 BD 的入口處，并通過磁力輸送到目標(biāo)位置，然后根據(jù)需要選擇性地釋放 CS 模塊，最后收回 MA 模塊（圖 6C，i 至 vi）。整個(gè)過程由 X 射線透視技術(shù)監(jiān)控。與之前的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，盡管受到兔子身體的干擾，但由于嵌入的磁性顆粒，MA 模塊可以在 X 射線圖像中被識(shí)別出來。

圖6 X 射線成像引導(dǎo)下模塊化微機(jī)器人在兔 BD 中的體內(nèi)定向輸送

2. 總結(jié)與展望
為了解決磁性微型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)和生物功能之間的折衷問題，受模塊化機(jī)器人技術(shù)的啟發(fā)，本研究設(shè)計(jì)了一種模塊化微型機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有異構(gòu)、專用和可鎖定拆卸的模塊。該系統(tǒng)在以下方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。首先，得益于模塊化設(shè)計(jì)策略，MA 模塊中的釹鐵硼磁粉含量可高達(dá)約 33 wt %，從而在不影響其余 CS 模塊的細(xì)胞負(fù)載能力和生物降解性的情況下，獲得強(qiáng)磁特性。其次，模塊化微機(jī)器人裝配牢固，在粘度高達(dá) 12 cP、平均流速為 5 cm/s 的流體中仍能發(fā)揮作用，從而能在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行有效的磁輸送輸送。第三，所開發(fā)的拆卸策略可在進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后的數(shù)十秒內(nèi)拆分模塊，不僅可回收磁性部件，最大限度地降低對(duì)人體的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，還有利于縮短操作時(shí)間，防止生物醫(yī)學(xué)部件過早脫落。最后，模塊化微型機(jī)器人的輸送和拆卸過程與醫(yī)院現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)成像模式兼容，從而為未來的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj0883