本研究由Yuxuan Sun和Wang Zhang（共同第一作者）以及Quanliang Cao和Liang Li（通讯作者）等来自华中科技大学武汉国家强磁场中心、华中科技大学同济医学院附属协和医院胃肠外科等多个课题组的研究人员共同完成。文章于2024年2月发表在*Nature Communications*上，题为“Magnetically driven capsules with multimodal response and multifunctionality for biomedical applications”。该研究属于磁控微型机器人与生物医学工程交叉领域，旨在解决现有胃肠道胶囊内窥镜在主动运动能力差、功能单一以及无法实现靶向给药和采样等方面的瓶颈问题。
胃肠道疾病（如炎症、溃疡、出血、感染和肿瘤）是临床上最常见的疾病之一，其中结直肠癌和胃癌在全球癌症发病率中位居前列。传统柔性内窥镜虽然能实现诊疗一体化，但会给患者带来明显不适且存在禁忌症；而胶囊内窥镜虽具有无线、无创、无痛等优势，但其运动主要依赖肠道蠕动，且功能多局限于成像，因此难以用于靶向给药、采样等医疗操作。近年来，磁驱动微型机器人因其非接触、高可控性和良好的穿透性能而成为实现胃肠道诊疗功能拓展的理想途径。然而，现有磁驱动胶囊普遍存在体积大、载药体积比低、磁场要求苛刻、功能单一等问题，且药物释放或采样过程中外部结构变化显著，限制了其在狭窄且非结构化的肠道环境中的应用。针对上述问题，本研究开发了一类名为MAGCAP的多功能磁驱动胶囊，通过引入磁性软阀和基于多频响应的磁驱动策略，实现了胶囊整体运动与局部响应的解耦控制，从而为靶向递药、定点采样、选择性双药释放以及光/热辅助治疗等应用奠定了基础。
本研究的核心创新在于磁性软阀（magnetic soft valve）的设计。该软阀由可动的磁性叶片（magnetic leaf）和固定的磁性框架（magnetic frame）构成，采用双层铁磁软复合薄膜结构。磁性框架具有轴向磁化（M1），磁性叶片具有径向对称磁化（M2）。在无外加磁场时，叶片与框架之间的磁吸引力使阀门自动关闭，从而保证密封；在外加磁场作用下，叶片在磁力矩作用下发生向内U形变形并打开阀门。该开启方式不依赖于外磁场的梯度力，这与以往主要利用梯度磁力开启的磁性阀有本质区别。由于梯度力随距离增加迅速衰减，因此该设计在实际应用中具有更强的远程控制能力。此外，整体胶囊因框架的单向磁化和叶片的双向磁化而表现出净磁化特性，为在磁场中实现整体运动奠定了基础。
在材料制备方面，磁性叶片由Ecoflex 00-10硅胶和平均粒径为5 μm的NdFeB微粒按1:1质量比混合制成，而磁性框架由PDMS与NdFeB微粒按不同质量比（30%、50%、70%）混合制备。通过改变框架中NdFeB颗粒含量，可以调节阀门开启所需的临界磁场强度。实验结果显示，当框架中NdFeB质量分数从30%增加到70%时，开启磁场从约6.8 mT提高到约22.6 mT，增加了232%，表明可以通过调节磁性框架中的颗粒含量实现阀门的梯度调控。密封性能测试表明，当框架中NdFeB质量分数超过50%时，胶囊在模拟胃肠道蠕动（100 rpm振荡5 min）条件下药物泄漏率不超过2%，且临界脱离压力高于消化道最大压力（25 mmHg，约3.33 kPa），满足实际应用要求。通过测量叶片在不同磁场下的弯曲角度，发现当叶片脱离框架后，框架中NdFeB含量对叶片变形角基本无影响，从而验证了基于磁力矩的简化模拟方法在叶片分离后的变形预测中的可行性。
为实现胶囊整体运动与局部阀门变形的解耦调控，研究者提出了一种基于多频响应的磁驱动策略。胶囊整体运动通过低频率（1~5 Hz）旋转磁场BL驱动，其运动机制主要源于框架残余磁化强度M1与外磁场之间产生的磁力矩τ1。实验表明，在1 Hz时胶囊每个周期的运动距离最大，约为30 mm；当频率超过5 Hz后，胶囊旋转相对于磁场出现明显滞后，运动可控性下降；在20 Hz时胶囊几乎不产生位移。这表明低频率磁场可以高效稳定地驱动胶囊整体运动，而高频率磁场则会抑制整体运动。利用这一行为，研究者进一步证明了在高频率磁场下胶囊可以实现锚定功能。在20 cm直径平面上，当磁场频率从10 Hz增加到30 Hz时，胶囊的离位速率从50 mm/s降低到3.08 mm/s，表明高频磁场可显著增强锚定效果，有利于在靶区域进行精确的药物释放和采样。
局部阀门变形则通过高频磁场BH（20~60 Hz）控制，主要依靠叶片残余磁化强度M2与外磁场之间的磁力矩τ2。实验结果显示，当磁场频率低于30 Hz时，叶片的最大弯曲角变化不大；进一步提高频率会导致弯曲角下降，例如在60 Hz时最大弯曲角降低约34%。这主要是因为叶片变形需要一定响应时间，而高频磁场在极短时间内达到峰值，导致叶片无法完全跟随。药物释放率测试表明，在10 s时间内，药物释放率先随频率增加而升高，并在30 Hz时达到最高，随后又随频率升高而下降。这是因为低频下叶片虽能完全变形，但阀门与周围液体相互作用的频率较低，降低了药物扩散效率；而过高频率下叶片变形幅度不足，同样影响释放效率。当胶囊未被固定时，其会随磁场方向旋转，使外磁场与框架磁化方向对齐，从而抑制阀门打开；但在高频磁场下胶囊的锚定效应可以有效避免这一问题，进一步增强了高、低频响应之间的差异。上述结果证明，通过控制磁场频率可以独立实现胶囊整体运动与局部阀门变形的高效调控。
在功能验证方面，研究者首先在理想模型中展示了胶囊在S形和U形通道中的靶向运动、药物释放和采样能力。在人体胃解剖模型中，利用永磁体产生的梯度力和磁力矩实现了胶囊的摆动、滑动和滚动等多模式运动，并在到达目标区域后通过高频磁场完成药物释放。在离体猪胃实验中，研究者采用六自由度机械臂搭载永磁体，通过手柄控制器实现胶囊在磁梯度力和磁力矩作用下的运动和转向，并在多个靶点分别施加高频磁场实现药物释放。在离体猪小肠模型中，研究者设计了一种带梯形截面铁芯的电磁线圈，通过直流模式产生的梯度力驱动胶囊运动，并通过交流模式控制阀门开闭进行采样。该线圈在4 V放电电压下，磁场在7 mm范围内从50 mT以上衰减到30 mT以下，可用于厘米级空间分辨率的定点药物释放或采样。实验结果显示，当胶囊与线圈距离从3.6 cm减小到1.39 cm时均不释放药物，只有当胶囊位于线圈中心时才发生释放，验证了线圈的局部精确控制能力。
在体内实验中，研究者以新西兰兔为模型，通过便携式内窥镜实时跟踪胶囊的运动和药物释放过程。胶囊经口摄入后，在外置永磁体（D80×H80 mm，N35）产生的旋转磁场作用下，于兔胃内实现定向滚动运动。随后在34.5 s时通过体表投影的电磁线圈施加高频磁场，胶囊内的甲基蓝溶液（标记药物）在22 s内释放，释放区域面积约为302.9 mm²。该结果表明MAGCAP在活体动物中可以实现有效的靶向给药。
为进一步扩展胶囊的功能，研究者设计了双模块胶囊，其左右两侧磁性框架中NdFeB质量分数分别为50%和70%，使得两侧阀门开启所需磁场不同。在15 mT磁场下仅左侧阀门打开，释放第一种药物；在25 mT磁场下两侧阀门同时打开，释放第二种药物。实验表明，左侧甲基蓝溶液在施加BH1后6 s开始明显泄漏，22 s内几乎完全释放，而右侧丽春红溶液无泄漏；当磁场增加到BH2后，右侧药物才开始释放，最终两种药物均完全释放。选择性双药释放功能为联合用药和精准治疗方案提供了可能。
此外，研究者还开发了带有螺纹外壳的MAGCAP，在药物释放完成后施加中频磁场（5~10 Hz）使胶囊旋转，通过与小肠皱襞的相互作用清除黏液层并促进药物扩散。紫外-可见分光光度法检测显示，螺纹胶囊处理后小肠液的吸光度（290 nm处）比光滑胶囊处理组提高了239.3%，达到2.07±0.24，表明螺纹胶囊可有效破坏药物吸收屏障，提高药物在肠道中的吸收率。
在无线光/热辅助治疗功能方面，研究者将感应线圈和LED集成到胶囊中，在超高频磁场（35.7 kHz）作用下通过电磁感应产生涡流点亮LED，并通过低频磁场控制胶囊运动，实现了沿规定路径依次点亮四个字母“HUST”的功能演示。在磁热功能方面，研究者将Fe3O4纳米颗粒（50–300 nm）与Ecoflex 00-10混合形成磁热部件。在38.5 kHz超高频磁场下，含有50% Fe3O4的磁热部件在60 s内升温至98°C。在综合演示中，胶囊在低频磁场驱动下运动至指定位置，在高频磁场下释放药物，随后在超高频磁场下加热60 s使胶囊最高温度达到110°C，最后在低频磁场驱动下离开目标区域，靶区药物温度被加热至39.15°C。这一结果证明了药物输运、可控释放和按需加热的一体化控制能力。
本研究的结论是，通过将磁性软机器人技术引入胶囊设计，成功构建了具有双层铁磁复合薄膜的磁性软阀，为胶囊腔体与胃肠道环境之间的双向相互作用提供了有效手段。基于多频响应的磁驱动策略实现了整体运动与局部磁响应之间的解耦控制，克服了传统胶囊在运动模式单一、功能有限和扩展性差等方面的瓶颈。MAGCAP在靶向递药与采样、双药释放、黏液清除以及无线光/热治疗等方面均展示了多功能性，为胃肠道疾病的诊断和治疗提供了全新的技术路径。同时，研究者指出，未来的工作应进一步结合具体疾病模型进行病理实验，以优化结构设计并定量评估局部靶向给药相对于传统方法的优势；同时应考虑引入实时定位技术、成像模块以及大动物模型，以推动该技术向临床应用转化。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：其一，创新性地提出了一种基于磁梯度力与磁力矩竞争机制的磁性软阀结构，实现了无磁场时自闭合、有磁场时开启的功能；其二，提出了基于多频响应的磁驱动策略，通过低、中、高乃至超高频磁场的组合，实现了整体运动、局部变形、黏液清除、光/热功能之间的独立调控；其三，在活体动物实验中验证了胶囊的靶向运动与药物释放能力，为后续临床转化提供了有力证据；其四，通过模块化结构设计实现了选择性双药释放、无线发光和磁热治疗等多种功能扩展，展示了该平台的通用性和扩展潜力。