腔內支架植入是治療膽道狹窄等梗阻性病變的常用介入手段，然而，傳統輸送系統因器械剛度高、操作自由度低，難以在遠端曲折的管道中安全穿行，易在肝內膽管等遠端狹窄部位引發穿孔、支架誤置等風險。近年來，磁控微機器人憑借其微創、可遠程操控和穿透深部組織的優勢，為腔內精準介入提供了全新思路。然而，受制于微型尺度下的“尺寸-力量權衡”，如何在保持靈活性的同時賦予其強大的擴張能力，是推動該技術走向臨床必須解決的難題。
針對上述難題，香港中文大學張立教授團隊在《Science Advances》上發表了題為“Modular magnetic microrobot system for robust endoluminal navigation and high–radial force stent delivery in complex ductal anatomy”的研究論文，提出了一種模塊化磁控微機器人系統。文章第一作者是香港中文大學博士后蘇琳，文章通訊作者是香港中文大學張立教授和陳啟楓研究助理教授。
該系統創新性地將磁驅動模塊與超聲響應型自膨脹支架模塊相結合，通過旋轉方向控制實現“集成推進”與“定點分離”兩種狀態的智能切換，并利用聚焦超聲觸發支架在病灶處的快速膨脹，實現了在復雜管道內的穩定穿行與支架的按需精準部署（圖1）。
圖表1. 用于膽道支架植入的模塊化微機器人系統示意圖。(A) 系統組成：磁驅動模塊與可膨脹支架模塊集成。(B) 在膽道系統中的支架植入流程：(a) 順時針旋轉磁場下導航；(b) 到達病灶后逆時針旋轉解離；(c) 超聲觸發支架原位擴張。
為此，作者團隊分別合成了兩種水凝膠打印樹脂，并采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch? S130，精度：2μm）制備了兩種模塊。磁驅動模塊的打印樹脂由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、交聯劑DPHA、增稠劑PVP及NdFeB@SiO?磁性顆粒組成，賦予模塊高磁響應性與結構精度（圖2）。支架模塊則采用含鉭微粒的韌性水凝膠材料打印而成，不僅具備良好的生物相容性，還可作為超聲成像對比劑，其徑向剛度達0.516 N/cm，滿足臨床膽道與血管的支撐需求（圖3）。
圖表2. 磁驅動模塊的設計與性能表征。(A) 模塊結構示意圖，包含主體、左旋螺紋、蓋帽和螺旋尾翼。(B) 3D打印模塊的SEM圖像。(C) 不同結構在順時針/逆時針旋轉下的模擬流線圖。(D) 模塊平均推進速度與旋轉頻率的關系。(E) 螺旋尾翼寬度對推進速度的影響。(F) 不同磁場強度下的速度-頻率曲線。(G) 不同頻率驅動下的運動圖像。(H) 不同流體粘度環境中的運動性能。
圖表3. 支架模塊的設計與功能表征。(A) 支架模塊結構示意圖，顯示編織線數、角度等參數。(B) 打印支架的SEM圖像。(C, D) 模擬顯示線數與編織角對徑向壓縮性能的影響。(E) 不同幾何參數下壓縮至50%直徑所需載荷。(F) 支架在不同配合尺寸（Δd）下的錨定性能。(G) 支架壓縮固定與超聲觸發擴張過程示意圖。(H) 不同鉭顆粒濃度下超聲功率與溫升關系。(I) 不同超聲功率下支架形狀恢復率隨時間變化。
該系統的核心創新在于其“旋轉控制組裝策略”（圖4）。磁驅動模塊內部設計了基于阿基米德螺旋線的鎖鉤結構，當模塊順時針旋轉時，支架模塊被牢牢約束在腔內，實現穩定輸送；一旦抵達目標位置，逆時針旋轉即可在離心力作用下于3秒內完成精準釋放。這一機制有效解決了傳統磁控機器人在導航過程中易丟失負載、難以在狹窄空間內可控釋放的難題。
圖表4. 模塊化機器人的組裝與解組裝性能。(A) 運動模式與解組裝模式示意圖。(B) 兩種模式的實驗圖像。(C) 間隙配合與螺旋末端角度對組裝/解組裝成功率的影響。(D) 旋轉頻率對解組裝時間的影響。(E) 旋轉頻率對投放精度的影響。(F) 機器人在不同地形（彎道、分叉）中的運動與解組裝實驗。
研究團隊在多層分支膽道模型及離體豬膽管中成功驗證了該系統的全流程操作：微機器人可在超聲引導下沿3.5 cm路徑精準導航，在目標位置3秒內完成支架釋放，并于30秒內通過超聲熱觸發實現完全膨脹，將管腔直徑擴大約2.5倍。該系統兼具微創性、高精度與臨床兼容性，為未來深部腔內介入治療提供了全新的技術平臺。綜上，這項工作有力地促進了生物醫用多功能微型機器人的發展，為其今后走向實際應用提供重要參考。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ady4339
