在生物力学和医学领域，设计能够有效进行药物输送的微型机器人面临诸多挑战。要有效控制微型机器人，必须妥善管理生物相容性、尺寸、可生物降解性和磁性等关键因素。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发出一种微型机器人，有望彻底革新体内药物输送方式。
研究团队报告称，这种微型机器人能够通过血管将各种药物直接输送到病变组织，然后在目标位置溶解并释放药物。微型机器人系统的设计结合了电磁导航、释放导管和可溶解载药胶囊，标志着医疗机器人领域的一项关键成就。这些微型机器人有望以惊人的精确度彻底改变中风、肿瘤和局部感染的治疗方法。
全球每年约有1200万人遭受中风，其中许多人因此死亡或永久残疾。目前的中风治疗方法需要高剂量药物，这些药物会扩散到全身，常导致严重的副作用，包括危险的内出血。苏黎世联邦理工学院的微型机器人通过精准输送药物提供了一种有前景的替代方案。
传统药物输送方法的问题
目前中风的治疗方法需要通过注射或口服高剂量药物，这些药物会扩散到全身。药物最终溶解阻塞血管的血栓，但这种药物输送方式存在显著局限性，降低了有效性和安全性。只有极小部分药物能实际到达目标位置，迫使医生开具更高剂量。这种全身性分布使健康组织和器官暴露于潜在有害物质。
化疗是目前一种会从该技术中受益的有害治疗方法的紧迫实例。化疗药物靶向快速分裂的细胞，包括癌细胞和健康细胞。患者经常经历毁灭性的副作用，包括脱发、恶心、疲劳和器官损伤。血脑屏障为神经系统疾病的治疗构成了另一项重大挑战。超过98%的小分子药物和几乎所有大分子药物都无法通过这层保护膜。
中风患者的溶栓治疗要求医生施用强效的血液稀释药物，这些药物会扩散到整个循环系统。约5%接受溶栓治疗的患者会出现严重出血并发症。约1%的患者发生脑出血，导致额外中风，使治疗本身成为潜在危险。
苏黎世联邦理工学院的革命性微型机器人技术
苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种磁控微型机器人，能够在临床条件下精确导航。微型机器人由可溶性凝胶外壳制成的专有球形胶囊组成，外壳内装载药物。嵌入胶囊中的氧化铁纳米粒子提供了外部控制所需的磁性。这种创新设计使医生能够引导这个微型装置通过复杂的血管网络到达特定目标。
苏黎世联邦理工学院多尺度机器人实验室的博士后研究员、主要作者法比安·兰德斯（Fabian Landers）解释了其中的工程挑战："由于人脑中的血管非常小，胶囊的大小受到限制，"兰德斯说。研究人员需要确保如此小的胶囊仍具有足够的磁性以实现可靠控制。
微型机器人还需要一种造影剂，以便通过X射线追踪。这将使医生能够实时观察并通过血管导航微型机器人。研究人员研究了医学应用中使用的钽纳米粒子，但这些纳米粒子密度和重量更大，使导航变得困难。
在苏黎世联邦理工学院研究微型机器人的布拉德利·纳尔逊（Bradley Nelson）教授解释道："将磁性功能、成像可见性和精确控制集成到单个微型机器人中，需要材料科学和机器人工程之间的完美协同。"萨尔瓦多·帕内（Salvador Pané）教授的团队开发了精密的氧化铁纳米粒子，这对项目至关重要。
微型机器人导航系统的工作原理
研究人员开发了一种巧妙的两步策略，将微型机器人带到接近目标位置的地方。首先，他们通过特殊设计的导管将微型机器人注入血液或脑脊液中。该导管采用商用设计，内部导丝连接到柔性聚合物夹持器。当推过外部导引导管时，聚合物夹持器打开，将微型机器人释放到血液中。
然后，电磁导航系统接管，引导微型机器人到达精确目的地。"人体动脉系统中的血流速度因位置而异很大，"纳尔逊解释道。这种变化性使得微型机器人导航极其复杂，需要复杂的控制系统和策略。
研究团队结合了三种不同的磁导航策略，以实现对所有血管类型的可靠控制。第一种策略使用每秒4毫米的旋转磁场使胶囊沿血管壁滚动。第二种策略使用磁场梯度将微型机器人拉向更强的磁场方向穿过血管。使用这种技术，微型机器人甚至可以逆着超过每秒20厘米的血流速度行进。
血管分叉处的精准输送
当微型机器人到达血管向多个方向分支的复杂分叉处时，会激活入流导航。磁场梯度被引导至血管壁，从而将胶囊带入正确的血管。这种复杂的方法即使在大脑中最具挑战性的人体解剖位置也能实现精确导航。
通过整合这三种导航策略，研究人员在各种流动条件下实现了有效控制。在测试的95%以上的案例中，胶囊成功地将药物输送到正确位置。"磁场和梯度非常适合微创手术，因为它们能深入穿透人体，"纳尔逊解释道。
兰德斯对人类血流动力学带来的挑战表示惊叹："我们的血管中流经的血量如此之大，速度如此之快，这真是令人惊叹，"他说。导航系统必须承受巨大的力量，同时保持对微型机器人的精确控制。
药物装载和释放机制
微型机器人包含每种特定医疗应用所需的活性药物。在测试期间，研究人员成功地将微型机器人装载了各种应用的常见药物。这些药物包括用于中风的溶栓剂、用于感染的抗生素和用于癌症治疗的抗癌剂。
药物释放机制采用受控加热在目标位置溶解凝胶外壳。高频磁场加热嵌入胶囊内的磁性纳米粒子。这种加热溶解凝胶外壳，精确地在需要的位置释放药物。微型机器人完全溶解，不会在患者体内留下任何外来物质。
真实测试和动物试验
研究团队开发了创新的硅胶模型，以在真实临床环境中测试他们的微型机器人。这些模型准确地复制了人类患者和动物的血管。这些血管模型非常逼真，现在已被全球医疗培训项目使用。ETH衍生公司Swiss Vascular目前制造并商业销售这些模型。
"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，"帕内解释道。动物实验存在伦理问题和实际限制，而硅胶模型帮助研究人员避免了这些问题。在这些模型中，研究人员成功地靶向并完全溶解了模拟血栓。
在硅胶模型中进行了多次成功试验后，研究团队在真实临床条件下测试了他们的微型机器人。他们向猪展示了所有三种导航方法都有效，并且微型机器人在整个过程中保持清晰可见。研究人员还成功地在绵羊的脑脊液中引导微型机器人。
成功的大型动物演示
动物试验证实了微型机器人平台未来进行人体临床试验的可行性。猪模型在临床条件下验证了所有运动策略，并实现了精确的脑血管导航。绵羊模型展示了该平台在解剖结构受限的中枢神经系统区域中运行的能力。
兰德斯特别对脑脊液导航结果表示兴奋："这个复杂的人体解剖环境具有巨大的进一步治疗干预潜力，"他说。在这种具有挑战性的环境中成功导航为治疗血管闭塞以外的疾病打开了大门。
这项国际研究涉及苏黎世联邦理工学院以外的研究人员，包括巴塞罗那大学的何塞普·普伊格马尔蒂-路易斯（Josep Puigmartí-Luis）教授。该合作源于苏黎世联邦理工学院萨尔瓦多·帕内教授协调的欧洲ANGIE项目。这种国际合作结合了化学、材料科学和机器人工程方面的专业知识。
FDA批准的材料和安全考虑
研究人员特别设计了他们的微型机器人平台，以考虑监管批准和临床安全。该系统使用美国食品药品监督管理局（FDA）已批准的生物相容性材料。氧化铁纳米粒子已获得FDA批准用于各种医疗应用，包括癌症治疗和成像。
"新系统通过精确和安全的电磁控制克服了主要的临床障碍，"普伊格马尔蒂-路易斯解释道。微型机器人在大部分旅程中不会直接接触血管壁。实时成像确保在整个医疗过程中稳定、安全和适应性的操作。
该平台将名为Navion的临床电磁导航系统与定制组件集成在一起。这种集成使技术能够无缝融入现有医院手术室基础设施。模块化设计意味着医院可以采用该技术，而无需完全改造现有设备。
中风治疗以外的应用
虽然中风治疗代表了最具前景的直接应用，但微型机器人具有更广泛的潜力。研究人员成功地将胶囊装载了用于治疗体内深层局部感染的抗生素。肿瘤药物可以将化疗药物直接输送到癌细胞，同时保护健康组织。
这种精准药物输送方法可以显著减少与癌症治疗相关的副作用。目前的化疗会影响全身快速分裂的健康细胞，导致脱发和免疫抑制。微型机器人输送可以将有毒药物精确集中在肿瘤部位，最大限度地减少对健康组织的附带损伤。
介入放射科医生看到了将微型机器人与现有成像系统以新方式结合的潜力。在X射线或MRI控制下的实时跟踪可以实现目前需要复杂导管导航的程序。以前被认为不可能的程序，如到达极小的分支血管，可能会成为常规操作。
通往人体临床试验的道路
苏黎世联邦理工学院研究团队专注于快速将技术带入医院手术室。在开发的每个阶段，团队都优先确保对真实医疗应用的临床准备。下一个目标是在获得监管批准后尽快开始人体临床试验。
大多数专家认为，微型机器人药物输送的人体试验将在未来几年内开始。早期研究可能会集中在膀胱或胃等受控环境中的药物输送。这些位置比整个循环系统的复杂性提供更易于管理的条件。
兰德斯热情地谈到了团队如此积极地推进这项技术的动力。"医生们在医院已经做得非常出色，"他承认。"推动我们前进的是，我们知道我们拥有一种技术，能够更快、更有效地帮助患者。"
前方的挑战和局限性
尽管取得了显著进展，但在微型机器人成为标准医疗实践之前，仍存在重大挑战。在活体环境中导航由于不可预测的血流和组织阻力而变得复杂。个体患者解剖结构差异很大，需要自适应控制系统以实现可靠操作。
红细胞在微观尺度上通过血管导航时对微型机器人构成了障碍。这些高浓度细胞可能在导航过程中困住或偏转微型机器人脱离其预定路径。心脏周期的脉动性血流增加了另一层复杂性。
监管机构需要对微型机器人进行适当分类，以便进行批准和监督。安全测试必须彻底，特别是对于在手术过程中留在体内的设备。与现有医院成像系统集成而不影响其性能需要额外的工程工作。
更广泛的微型机器人研究格局
苏黎世联邦理工学院的突破建立在世界范围内机构数十年微型机器人研究的基础上。普渡大学研究人员开发了一种磁性微型设备，用于清除出血性中风期间积聚的血液。他们的创新在动物模型中实现了86%的清除脑室血液的有效性。
Artedrone的SASHA系统使用自主磁性微型机器人进行中风患者的机械血栓切除术。他们的临床前研究在人类脑血管模型和猪脑解剖结构中测试了该系统。目标是使非专业临床医生能够在更多医院进行高级中风干预。
微型机器人医疗公司最近获得了FDA 510(k)许可，用于其LIBERTY血管内机器人系统。这一许可使该公司能够商业化首个FDA批准的一次性远程操作机器人系统。关键研究证明了100%成功导航到指定目标，没有设备相关的不良事件。
结论
苏黎世联邦理工学院的微型机器人代表了药物如何到达人体内病变组织的潜在范式转变。通过将药物直接输送到目标位置，微型机器人可以显著减少困扰当前治疗方法的副作用。该技术在临床条件下的动物试验中已证明超过95%的显著成功率。
鉴于每年有数百万人遭受中风，还有无数人忍受化疗的副作用，风险再高不过。国际研究团队在开发过程中优先考虑了临床准备，使用FDA批准的生物相容性材料。随着技术的快速进步，人体临床试验可能在未来几年内开始。
机器人、材料科学和医学成像的融合已将科幻小说变为新兴的医疗现实。这些在血管中导航的微型机器可能很快变得像它们可能取代的药丸和注射一样常规。您的下一次处方可能不会装在瓶子里；它可能会直接游到您身体最需要的地方。
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