苏黎世联邦理工学院研究团队开发出一种磁控微型机器人系统，可精准导航至人体复杂血管通道和血管系统，实现药物的精准递送。该团队由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）领导，其模块化磁控微型机器人平台集成了电磁导航系统（Navion）、定制释放导管以及装载药物的可溶解胶囊。
研究团队在人体血管模型上进行体外测试，并在绵羊和猪模型中开展真实临床条件下的活体实验，验证了该平台的能力。测试表明，通过施加特定磁场，系统可操控微型机器人穿越复杂血管和脑脊液空间，触发可控加热以溶解机器人，并将药物精确释放到靶向组织，甚至能抵达最微小的血管。团队表示，这一新型系统有望实现更安全的靶向药物治疗，最大限度减少不良反应。首席作者兰德斯及其同事在《科学》杂志发表题为"临床就绪的靶向治疗磁控微型机器人"的论文，结论指出："我们的研究证明，在临床条件下，通过整合导航、治疗递送和成像功能，可在大型动物模型体内实现微型机器人的活体导航。"
全球每年约有1200万人遭受中风，其中许多人死亡或永久残疾。治疗通常需注射溶解血栓的药物，但这些药物会扩散至全身，必须使用高剂量确保足够药物抵达血栓部位，从而引发内出血等严重副作用。作者强调："全身给药常伴随严重副作用，导致30%的药物在临床试验中失败。"由于药物通常仅需作用于身体特定区域，医学界长期探索利用微型机器人将药物精准递送至目标部位——例如中风治疗中直接作用于血栓。
材料科学、制造工艺和控制系统的发展，使微型机器人能在复杂生物环境中实现复杂运动和靶向递送。研究者指出："过去二十年，磁控微纳米机器人一直是研究焦点，它们在靶向药物递送领域潜力巨大，可将更高浓度治疗剂直接送达病灶，提升疗效并减少副作用。"然而，将这些技术转化为临床实践仍面临挑战。
基于前期工作，兰德斯团队开发出一种由可溶性凝胶外壳制成的专有球形胶囊微型机器人，可通过磁力控制引导至目标位置。胶囊中的氧化铁纳米粒子赋予其磁性。兰德斯解释："由于人脑血管极为细小，胶囊尺寸受限。技术难点在于确保如此微小的胶囊仍具备足够磁性。"
微型机器人还需含显影剂，使医生能通过X光追踪其在血管中的移动路径。研究团队总结道："该磁控微型机器人由明胶基质构成，内嵌高响应性磁性氧化铁纳米粒子、放射不透性钽纳米粒子及治疗药物，这些材料此前已获FDA批准用于多种血管内应用。"
研究者聚焦于医学常用但更难控制的钽纳米粒子（因其密度和重量更大）。资深合著者、ETH教授布拉德利·尼尔森（Bradley Nelson）博士表示："在单个微型机器人中整合磁功能、显影可见性和精确控制，需要材料科学与机器人工程的完美协同，我们历经多年才成功实现。"另一位资深合著者、机器人与智能系统研究所化学家萨尔瓦多·帕内（Salvador Pané）教授团队开发了精密氧化铁纳米粒子，实现了这一精细平衡。
微型机器人装载所需活性药物成分，研究者成功将溶栓剂、抗生素和肿瘤药物等常见药物装载其中，适用于多种场景。药物通过高频磁场加热磁性纳米粒子释放，溶解凝胶外壳及微型机器人。
研究者采用两步策略将微型机器人引导至目标位置：首先通过导管将其注入血液或脑脊液。"该设计采用商用导管（7 Fr），内部导丝连接柔性聚合物抓手，"团队解释道，"当推过外部导引导管时，聚合物抓手打开并释放预装微型机器人。"
随后使用电磁导航系统（eMNS）Navion精确操控磁控微型机器人抵达目标位置。导管设计基于商用型号，内部导丝连接柔性聚合物抓手；推过外部导引时，抓手打开释放微型机器人。模块化eMNS系统适用于手术室环境。团队说明："我们耦合两套Navion系统，每套含三组相距35厘米的电磁线圈，以实现足够容纳人脑颅骨的校准工作空间内的磁操控。"
研究者整合三种磁导航策略，实现在头部动脉各区域的导航。作者指出："通过旋转磁场驱动的滚动、磁梯度牵引或顺流导航，我们的无 tether 微型机器人实现多模态导航。"尼尔森补充："人体动脉系统血流速度因位置差异巨大，这使微型机器人导航极为复杂。"
该平台允许研究者用旋转磁场沿血管壁滚动胶囊，以4毫米/秒的速度精准引导至目标。另一种模式中，胶囊通过磁梯度移动：磁场在某处更强，将微型机器人拉向强磁场区域。胶囊甚至能逆流而行，在超过20厘米/秒的高流速下稳定移动。兰德斯指出："血管中血流量大且速度惊人，我们的导航系统必须承受这一切。"
当微型机器人抵达难以通过的血管分叉处时，顺流导航发挥作用：磁梯度被导向血管壁，使胶囊随血流进入正确血管。
通过整合这三种导航策略，研究者在各种流速条件和解剖场景中保持对微型机器人的有效控制。在95%以上的测试案例中，胶囊成功将药物递送至正确位置。
为在真实环境中评估微型机器人及其导航能力，研究者开发出精确复制患者和动物血管的硅胶模型。这些模型高度逼真，现已被用于医学培训，并由ETH衍生企业Swiss Vascular推向市场。帕内解释："这些模型至关重要，我们通过大量练习优化策略及其组件——动物实验无法实现这一点。"在模型中，研究者成功靶向并溶解了血栓。
完成模型多次成功试验后，团队在真实临床条件下验证微型机器人效能。首先在猪模型中证实三种导航方法均有效，且微型机器人全程清晰可见。随后，研究者操控微型机器人穿越绵羊的脑脊液。
兰德斯指出："这一复杂解剖环境蕴含巨大治疗潜力，因此我们非常兴奋地发现微型机器人也能在此环境中成功导航。"研究者在论文中声明："绵羊模型活体实验证明该平台能在中枢神经系统解剖受限区域运行。此外，猪模型验证了所有运动策略在临床条件下的有效性，确认微型机器人在脑血管系统中的精准导航，并凸显系统与多样化活体环境的兼容性。"
除治疗血栓外，这些新型微型机器人还可用于局部感染或肿瘤治疗。研发全程，团队始终聚焦于快速将成果投入手术室应用的目标。下一步是开展人类临床试验。作者总结道："采用FDA已批准用于其他血管内应用的材料，结合机器人平台的模块化设计，应能简化技术转化并适应多种临床工作流程。"谈及团队动力，兰德斯表示："医院医生已做得非常出色。驱动我们的信念是：这项技术能更快更有效地帮助患者，通过创新疗法给予他们新希望。"
【全文结束】
