磁性与射频双响应形状可编程机器人用于自适应动脉瘤栓塞的学术研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由Jiancheng Liu、Shu Wang、Shunyuan Huang等来自中国科学院深圳先进技术研究院（Guangdong Provincial Key Lab of Robotics and Intelligent Systems）的团队主导，合作单位包括南方科技大学、中国科学技术大学纳米科学技术研究所等。研究成果于2024年9月18日发表在《Cell Reports Physical Science》（卷5，文章编号102160），标题为《Magnetic and Radio Frequency Dual-Responsive Shape-Programmable Robots for Adaptive Aneurysm Embolization》。

二、学术背景与研究目标
动脉瘤是威胁人类健康的常见血管疾病，传统治疗依赖金属微弹簧圈栓塞，但存在两大核心问题：
1. 操作难题：金属微圈在迂曲血管中难以精准递送；
2. 适配性问题：固定形状的微圈难以匹配不同形态的动脉瘤。
为解决这些问题，研究团队提出了一种基于磁性与射频（Radio Frequency, RF）双响应形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer, SMP）的机器人系统。该机器人结合磁场导航与射频触发的形状记忆效应，旨在实现：
- 自主运动：通过磁场控制抵达目标动脉瘤；
- 自适应变形：通过射频加热恢复预设形状，完美填充动脉瘤腔。

三、研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 核心材料：采用聚氨酯丙烯酸酯（Polyurethane Acrylate, PUA B270）作为预聚物，与单体4-丙烯酰吗啉（4-Acryloylmorpholine, ACMO）及光引发剂DDFD混合，掺入钕铁硼（NdFeB）磁性颗粒。
- 合成工艺：通过紫外光引发交联反应形成SMP，其触发温度为42°C，拉伸模量达276 MPa，弯曲模量421 MPa，机械强度为传统水凝胶的50倍。
- 外壳涂层：表面涂覆壳聚糖（Chitosan）与四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒（1:1质量比），赋予射频加热能力。

1. 机器人制备与性能验证

   • 形状编程：将SMP预制成动脉瘤形状（永久态），再压缩为小球状（临时态）以适应血管输送。
     
   • 磁控系统：使用三轴亥姆霍兹线圈（Helmholtz Coils）生成0–50 mT可编程磁场，通过翻转磁场实现机器人滚动（峰值速度2.23 cm/s）和爬坡（最大坡度45°）。
     
   • 射频触发：Fe3O4涂层在射频下通过磁滞损耗加热至42°C，触发形状恢复（15分钟内直径从3 mm恢复至10 mm）。
     

2. 体外模拟实验

   • 血管模型：设计U形和M形弯曲通道（直径5 mm）模拟复杂血管环境，验证机器人在磁场控制下通过多弯道的能力。
     
   • 栓塞效果：在射频加热后，机器人恢复预设形状，完全填充10–15 mm的动脉瘤模型，支撑力显著优于传统金属微圈。
     

3. 生物相容性测试

   • 通过H&E染色和SEM分析证实材料无细胞毒性，且体内实验显示其稳定性与生物安全性。
     

四、主要研究结果
1. 材料性能：
- 形状记忆效率：形状恢复率（Shape Recovery Ratio, RR）>97%，形状固定率（Shape Fixity Ratio, RF）>93%（4次循环无衰减）。
- 机械强度：B270-SMP在42°C下拉伸模量276 MPa，弯曲模量421 MPa，远超传统水凝胶（如B2018-SMP仅196 MPa）。
- 快速固化：紫外光固化速率达93.7%（B270），确保结构稳定性。

1. 运动控制：

   • 在5 mT磁场、1 Hz频率下，机器人可沿预设轨迹（如方形、圆形）精准运动；在10 mT磁场下可攀爬45°斜坡。
     

2. 栓塞效果：

   • 在U形和M形动脉瘤模型中，机器人成功通过复杂路径并填充瘤腔，无断裂或移位风险。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 首次将磁控运动与射频触发形状记忆结合，解决了传统栓塞材料的递送与适配难题。
- 提出的B270-SMP材料体系为智能生物材料设计提供了新范式。

1. 应用价值：
   
   • 临床潜力：可个性化定制动脉瘤形状，降低手术难度，提高栓塞成功率。
     
   • 扩展性：技术可推广至其他血管疾病（如动静脉畸形）的介入治疗。
     

六、研究亮点
1. 双响应设计：磁场导航（“最后一厘米”精准递送）与射频触发（自适应填充）协同作用。
2. 高强度SMP：机械性能媲美金属微圈，避免栓塞过程中断裂风险。
3. 生物相容性：材料通过体内外安全性验证，具备临床转化潜力。

七、其他创新点
- 自主开发设备：三轴亥姆霍兹线圈控制系统和小型射频加热装置（湖南派盛科技）。
- 多学科交叉：融合机器人学、材料科学与介入医学，推动精准医疗发展。

该研究为动脉瘤治疗提供了革命性解决方案，未来可通过优化材料配方（如加入显影剂）进一步推动临床应用。