每年全球有1200万人遭受中风；许多人因此死亡或永久性残疾。目前，医生通过给药来溶解阻塞血管的血栓。这些药物会扩散到全身，意味着必须使用高剂量以确保足够的药物到达血栓部位。这可能导致严重的副作用，如内出血。
由于药物通常只需要在人体特定区域起作用，医学研究长期以来一直在寻找一种方法，利用微机器人将药物递送到需要的部位：在中风情况下，直接递送到与中风相关的血栓处。
现在，苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的一个研究团队在多个层面取得了重大突破。他们已在《科学》(Science)杂志上发表了研究发现。
精密纳米粒子需求
研究人员使用的微机器人包含一个专有的球形胶囊，由可溶性凝胶外壳制成，他们可以通过磁铁控制并引导其通过人体到达目的地。胶囊中的氧化铁纳米粒子提供了磁性。
"由于人脑中的血管非常小，胶囊的大小受到限制。技术挑战在于确保如此小的胶囊也具有足够的磁性，"论文第一作者、苏黎世联邦理工学院多尺度机器人实验室博士后研究员法比安·兰德斯(Fabian Landers)解释道。
微机器人还需要一种造影剂，使医生能够通过X射线追踪它在血管中的移动。研究人员专注于钽纳米粒子，这种材料在医学中常用，但由于其更高的密度和重量，控制起来更具挑战性。
"在单一微机器人中结合磁性功能、成像可见性和精确控制，需要材料科学和机器人工程之间的完美协同，我们花了许多年才成功实现这一点，"研究微机器人数十年的苏黎世联邦理工学院教授布拉德利·尼尔森(Bradley Nelson)表示。
机器人与智能系统研究所的化学家萨尔瓦多·帕内(Salvador Pané)教授及其团队开发了精密的氧化铁纳米粒子，实现了这种精细的平衡。
特殊导管释放载药胶囊
微机器人还包含需要递送的活性成分。研究人员成功地将各种常用药物装载到微机器人中——在本例中，是溶解血栓的药物、抗生素或肿瘤药物。
这些药物通过高频磁场释放，该磁场加热磁性纳米粒子，溶解凝胶外壳和微机器人。
研究人员采用了两步策略将微机器人带到目标附近：首先，他们通过导管将微机器人注入血液或脑脊液中。然后，他们使用电磁导航系统引导磁性微机器人到达目标位置。
导管的设计基于一种商用模型，该模型内部导丝连接到一个柔性聚合物抓手。当推过外部导引器时，聚合物抓手打开并释放微机器人。
逆流而上——血管导航
为了精确控制微机器人，研究人员开发了一种适用于手术室的模块化电磁导航系统。
"人体动脉系统中的血流速度因位置而异，变化很大。这使得导航微机器人非常复杂，"尼尔森解释道。研究人员结合了三种不同的磁导航策略，使他们能够在头部动脉的所有区域进行导航。
这使他们能够使用旋转磁场沿血管壁滚动胶囊。胶囊可以以4毫米/秒的速度极其精确地引导到目标位置。
在另一种模式中，胶囊使用磁场梯度移动：磁场在一个地方比另一个地方更强。这将血管中的微机器人拉向更强的磁场。胶囊甚至可以逆流而上——以超过20厘米/秒的相当大的流速。
"血液以如此高的速度流经我们的血管，流量之大令人惊叹。我们的导航系统必须能够承受所有这些，"兰德斯说。
当微机器人到达血管中难以通过的分叉处时，采用顺流导航。磁场梯度被导向血管壁，使胶囊被带入正确的血管中。
通过整合这三种导航策略，研究人员在各种流动条件和解剖场景下对微机器人进行了有效控制。在测试的95%以上案例中，胶囊成功将药物递送到正确位置。
"磁场和梯度对于微创手术来说是理想的，因为它们可以深入人体内部——至少在我们使用的强度和频率下——对人体没有不良影响，"尼尔森解释道。
创新不止于机器人技术
为了在真实环境中测试微机器人及其导航，研究人员开发了准确复制患者和动物血管的硅胶模型。这些血管模型非常逼真，现在正用于医学培训，并由ETH衍生公司Swiss Vascular推向市场。
"这些模型对我们至关重要，因为我们进行了大量练习以优化策略及其组件。你不能用动物来做这些，"帕内解释道。在模型中，研究人员能够定位并溶解血栓。
在模型中进行了多次成功试验后，团队试图证明微机器人在真实临床条件下能够实现什么。首先，他们能够在猪身上证明所有三种导航方法都有效，并且微机器人在整个过程中保持清晰可见。其次，他们将微机器人导航通过羊的脑脊液。
兰德斯特别高兴。"这种复杂的解剖环境具有巨大的进一步治疗干预潜力，这就是为什么我们对微机器人也能在这种环境中找到路径感到非常兴奋。"
血管阻塞之外的应用
除了治疗血栓形成外，这些新型微机器人还可用于局部感染或肿瘤。在开发的每个阶段，研究团队都专注于他们的目标：确保他们创造的一切尽快准备好用于手术室。下一个目标是尽快开始人体临床试验。
谈到什么激励着整个团队，兰德斯说，"医生们已经在医院做了令人难以置信的工作。推动我们的是，我们知道我们拥有一种技术，使我们能够更快、更有效地帮助患者，并通过创新疗法给予他们新的希望。"
更多信息：法比安·C·兰德斯(Fabian C. Landers)等人，《临床可用的靶向治疗磁性微机器人》，《科学》(Science)(2025)。DOI: 10.1126/science.adx1708。
【全文结束】
