《Nature Reviews Materials》综述：医疗微型机器人中材料协同整合促进先进成像与驱动技术

作者及机构
本文由Paul Wrede（苏黎世大学医学院药理学与毒理学研究所及生物医学工程研究所、马克斯·普朗克智能系统研究所）、Eva Remlova、Yi Chen、Xosé Luís Deán-Ben、Metin Sitti（马克斯·普朗克智能系统研究所、科奇大学）和Daniel Razansky（苏黎世大学及苏黎世联邦理工学院）共同撰写，发表于《Nature Reviews Materials》。

主题与背景
本文围绕医疗微型机器人（medical microrobots, MMs）的材料整合策略展开，重点探讨如何通过响应性材料（responsive materials）与对比剂材料（contrast materials）的协同设计，实现微型机器人在复杂生物环境中的高效驱动与多模态成像（multiplexed imaging）。随着材料科学与微纳加工技术的进步，微型机器人已成为精准医学（precision medicine）的重要工具，但其在活体组织中的导航与实时监测仍面临挑战。本文系统梳理了材料选择、驱动机制、成像兼容性及临床转化路径，旨在为下一代微型机器人的开发提供全面指导。

主要观点与论据

1. 材料驱动的微型机器人功能设计

   • 核心论点：微型机器人的性能高度依赖材料特性，需平衡机械性能（如弹性、刚度）、生物相容性（biocompatibility）及功能整合（如药物负载、成像对比）。
     
   • 论据支持：
     
     • 磁性材料（如FePt合金）可实现深组织穿透的驱动，但需解决生物降解性（biodegradability）问题（如镍基材料的替代方案）。
       
     • 微加工技术（如双光子聚合two-photon polymerization）可定制复杂形态，但需权衡通量与精度（图2a）。
       
     • 案例：凝胶-甲基丙烯酰（GelMA）复合磁性纳米颗粒（SPIONs）的微型机器人，兼具驱动与MRI对比增强功能。
       

2. 多模态成像与驱动的能量协同

   • 核心论点：单一能量源（如磁场、超声波）可同时用于驱动与成像，但需解决参数冲突（如功率、频率）。
     
   • 论据支持：
     
     • 磁共振成像（MRI）与磁驱动结合时，高场强（>1.5 T）可能限制磁性颗粒的旋转自由度，需采用超低场MRI（<100 mT）优化兼容性。
       
     • 光声成像（optoacoustic imaging）与光热驱动结合时，金纳米棒（gold nanorods）可同时作为光热转换剂与对比剂（图5a）。
       
     • 超声成像（ultrasound）中，微泡（microbubbles）既是驱动载体（通过空化效应cavitation），又是回声增强剂。
       

3. 临床转化路线图

   • 核心论点：从实验室到临床需跨越生物安全性、规模化制造及多模态验证三大障碍。
     
   • 论据支持：
     
     • 生物安全性：聚乙二醇（PEG）涂层可减少免疫清除，但需避免抗PEG抗体的产生；铁基纳米颗粒（如ferumoxytol, FMX）已获FDA批准，是优先候选材料。
       
     • 规模化制造：模塑法（moulding）适合大批量生产简单结构，而3D打印适用于定制化复杂形态。
       
     • 动物模型验证：小鼠模型用于初步验证，猪模型（血管尺寸接近人类）更贴近临床需求。
       

4. 未来展望

   • 核心论点：智能材料（如光响应液晶弹性体liquid crystal elastomers）与人工智能（AI）驱动的设计将推动微型机器人向自适应系统发展。
     
   • 论据支持：
     
     • AI可优化材料组合与运动控制算法，例如通过模拟血流环境预测微型机器人行为。
       
     • 自折叠软体机器人（self-folding soft robots）有望实现微创手术中的动态形态适应。
       

论文价值与意义
本文首次系统阐述了材料-成像-驱动的协同设计框架，为微型机器人的临床转化提供了方法论基础。其核心贡献包括：
1. 跨学科整合：融合材料科学、生物医学工程与影像学，提出“能量复用”策略（如磁场同时用于驱动与MRI）。
2. 技术革新：强调多模态成像（如光声-超声联合）在实时导航中的必要性，并列举了兼容性材料方案。
3. 临床导向：针对FDA合规材料（如FMX）的案例分析，加速了从动物实验到人体试验的过渡。

亮点
- 材料工具箱：通过四维维恩图（图2b）分类材料功能（治疗、成像、驱动、生物安全），为研究者提供快速选材指南。
- 能量复用案例：磁性粒子成像（MPI）与磁驱动的同步实现（图5b），解决了深组织操作与高分辨率监测的矛盾。
- 前瞻性观点：提出“物理智能”（physical intelligence）概念，即通过材料固有特性（如形状记忆合金）替代传统电子控制，推动微型机器人向更小尺度发展。

其他有价值内容
- 文中对比了不同驱动方式（磁、声、光、化学）的适用场景，例如超声波驱动在血管中的优势，以及光驱动在表浅组织的局限性。
- 特别探讨了生物杂交微型机器人（biohybrid MMs，如细菌或藻类载体）的免疫规避潜力，为感染治疗提供了新思路。

（注：全文基于《Nature Reviews Materials》的综述内容，所有术语与图表引用均保留原文标注。）