中科大胡衍雷教授团队《AM》：协同微机器人！对无接触生物医学应用的多功能探索

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-26 07:52

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在生物医学领域，微机器人技术被视为精准医疗的“未来之钥”，其在靶向药物递送、微创手术及细胞操控等方面的潜力备受瞩目。然而，当前主流的气液界面磁性微机器人系统仍面临严峻挑战：传统设计依赖直接接触抓取目标物，易导致细胞损伤或药物泄漏；多机器人协作需复杂磁场调控，效率低下；微机器人运动速度普遍低于每秒2个体长，难以适应动态生理环境需求。更关键的是，在靶向治疗或精细手术中，微机器人接触性操作可能引发组织二次损伤，限制了其在临床的深层次应用。

面对这一行业痛点，中国科学技术大学胡衍雷教授团队打破常规思维，从微机器人结构、磁场动力学与界面工程三个维度进行创新设计，提出协同磁性界面微机器人对（CMIMC）。这一机器人系统借助毛细力与磁场的巧妙耦合，首次在气液界面实现了非接触式的抓取、运输与释放操作，速度达到了12.2BL s ^-1 ，并展示了靶向药物释放和子宫肌瘤切除手术等应用，为生物医学领域中的微操作技术树立了新标杆。该研究以题为“Cooperative Magnetic Interfacial Microrobot Couple for Versatile Non-Contact Biomedical Applications”的论文发表在最新一期《 Advanced Materials 》上。

创新突破：磁场与毛细力的精密交响

这项研究工作的创新点之一在于磁性材料排列与毛细力的耦合作用。微机器人对由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和羰基铁粉复合而成，通过飞秒激光雕刻出独特的对数美学曲线构型，其表面经飞秒激光改性处理后接触角达154.5°。通过对微机器人内部磁性材料链状排列的调控，实现了微机器人对的多模态控制。在单磁体控制下，仅需0.18秒即可完成“捕获”与“释放”状态的切换，并在对货物进行操作时全程无需触碰目标，规避了传统操作的生物污染风险。通过微机器人参数与磁场分布的调控，微机器人对在空气-水界面展现出优良的运动性能。实验数据显示，其最大运输速度达每秒12.2个体长（约97.5毫米/秒），较此前报道提速6倍；即使在逆流环境中，仍能保持每秒8.1个体长的稳定速度。这种高速特性源于突破性设计 —— 流线型构型降低流体阻力、按磁场定向排列的磁性颗粒提高磁驱动力效率。

图1. CMIMC的协同磁驱动与多模态应用设计

图2. 流线型优化与几何参数精密调控

技术验证：从基础机制到生医应用展示

CMIMC的非接触操控与高速特性，为微型机器人打开了精准医疗的新窗口。研究者首先验证了该微机器人的生物兼容性。在酵母细胞实验组中，通过磁场引导，微机器人将细胞团簇非接触运输至激光灭活区，脉冲辐照后细胞活性下降约84%，而单纯运输组的存活率近100%，这验证了系统在保留生物活性的前提下实现精准操作的可行性。随后，研究团队进行了载物运输的全路径操控验证，演示了多个复杂路径的靶向运输，如圆形、字母、迷宫状复杂图案，突显高精运动控制能力。

图3. 非接触载物的全路径操控验证

同时，针对药物递送场景，研究团队构建了离体胃部模型。载有仿制药物的CMIMC通过医用导管部署后，沿预设轨迹穿越胃壁褶皱，最终在靶点释放药物。对比实验显示，非接触式递送使靶向部位的药物浓度较自由扩散提高1.72倍。更引人注目的是子宫肌瘤切除术的离体验证：装配陶瓷刀片的CMIMC仅用78秒便完成病灶分离。

图4. 从药物递送到肌瘤切除的体外应用验证

小结

该研究突破性地构建了非接触式微操作技术体系，攻克了微机器人非接触操作的技术瓶颈，实现单磁体调控双机器人的协同操作，并通过毛细力工程与流线构型设计，将运动速度提升至每秒12.2个体长。同时开发出可集成手术工具的平台化系统，在离体模型中完成靶向药物递送与肌瘤切除，验证了临床转化潜力，为活体内无创手术、药物定点释放等医疗场景提供了全新工具。

中科大胡衍雷教授团队《AM》：协同微机器人！对无接触生物医学应用的多功能探索

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