磁控微型机器人医学应用的综述与展望

本文由Ping-An Yang、Yixuan Han、Chunyan Mo（通讯作者）、Jiufei Luo、Mengjie Shou、Xinglong Gong（通讯作者）、Zhihao Zhou（通讯作者）等作者合作完成，作者单位包括重庆邮电大学自动化学院、重庆市渝北区人民医院眼科、香港理工大学应用生物及化学科技系、中国科学技术大学现代力学系等。论文发表于《Chemical Engineering Journal》2025年第520卷，文章编号165814。

论文主题与背景

本文是一篇系统性综述（review），聚焦于磁控微型机器人（magnetic-controlled microbots）在医学领域的应用。随着微纳技术发展，微型机器人因其微型化、精确可控性成为医学研究热点。然而，不同医疗场景对机器人的材料、结构与控制策略要求差异显著，亟需分类总结以指导临床转化。本文从医学需求分类出发，全面梳理了磁控微型机器人的结构设计、材料选择、控制策略，并展望了未来挑战与发展方向。

主要观点与论据

1. 医学需求驱动磁控微型机器人的分类发展

磁控微型机器人的研发源于三大医学需求：
- 诊断检测（diagnostic testing）：传统内窥镜检查存在侵入性强、患者不适等问题。例如，胃肠镜检查需导管插入，易造成组织损伤。磁控胶囊机器人（如胶囊内镜）通过口服进入消化道，借助外部磁场精准控制，可实现无痛病灶成像与活检（图3）。
- 靶向治疗（targeted therapy）：传统药物递送依赖全身代谢，靶向性差。磁性纳米颗粒（如Fe₃O₄）通过表面修饰（如抗体、配体）和外磁场引导，可精准递送药物至非特异性靶点（如主动脉钙化）或肿瘤组织（图9）。
- 手术辅助（surgical assistance）：传统手术在狭窄区域（如脑血管）操作精度不足。纤维状磁控机器人（如螺旋纤维）通过微小切口进入体内，在磁场控制下完成血栓清除等精细操作（图12）。

论据支持：
- 诊断领域，Son等（2019）开发的活检胶囊机器人通过磁控连杆实现多次组织采样（图7a）。
- 治疗领域，Liu等（2024）设计双活性靶向纳米颗粒，显著提升主动脉瓣钙化的药物递送效率（图9f）。
- 手术领域，Brecher等（2014）的纤维机器人成功在猪脑模型中实现精准运动（图2l）。

2. 结构与材料设计的场景适配性

磁控微型机器人的性能取决于三大核心组件：
- 外壳材料：需兼具生物相容性与功能性。例如：
- 诊断胶囊常用聚碳酸酯（PC，高透明）或聚四氟乙烯（PTFE，耐腐蚀）（图5）。
- 靶向治疗纳米颗粒采用聚合物（如PVA）或硅氧烷包覆，降低铁磁材料毒性（图8）。
- 磁响应材料：
- 诊断机器人多用钕铁硼（NdFeB，高磁能积），但需防氧化涂层。
- 手术纤维倾向于软磁材料（如铁氧体）以实现快速磁化/退磁（图11）。
- 功能模块：
- 诊断机器人集成摄像头或活检针（图5）。
- 靶向纳米颗粒通过表面修饰（如叶酸）增强肿瘤靶向性（图8）。

创新案例：
- Zhou等（2019）设计磁扭簧（MTS）驱动的胶囊机器人，通过四杆机构实现肠道锚定与稳定成像（图6b）。
- Zheng等（2024）开发中空棒状磁性纳米颗粒，穿透细胞膜实现精准热疗（图10b）。

3. 磁场控制策略的精准性与挑战

• 静态磁场：用于粗定位，但动态控制能力有限。
  
• 旋转磁场：驱动螺旋机器人前进（如Honda等1996年的原型机，图12a）。
  
• 电磁阵列：Grant等（2001）通过多线圈系统实现远程控制。
  技术瓶颈：
  
• 复杂生理环境（如血流）导致磁场干扰，需高精度传感器或算法补偿。
  
• 实时动态控制要求硬件（如核磁共振兼容性）与软件（路径规划算法）协同优化。
  

4. 未来挑战与发展方向

• 临床转化障碍：制造成本高、长期生物安全性待验证。
  
• 技术突破点：
  
  • 多模态集成（如诊断-治疗一体化胶囊，图7d）。
    
  • 自适应控制算法（如基于AI的实时路径规划）。
    
  • 新型生物相容材料（如细胞膜包裹纳米颗粒，图9c）。
    

论文价值与意义

1. 学术价值：首次系统分类磁控微型机器人的医学场景需求，为跨学科研究（材料学、机器人学、临床医学）提供框架性指导。
   
2. 应用价值：
   
   • 诊断领域推动无痛化早筛（如胃癌的胶囊活检）。
     
   • 治疗领域提升难靶向疾病（如脑瘤）的递送效率。
     
   • 手术领域促进微创化（如心血管介入）。
     

亮点总结

• 全面性：涵盖30年技术演进（图2），对比不同材料、结构、控制策略的优劣（表2-3）。
  
• 前瞻性：提出“医疗场景-机器人设计-控制策略”的适配原则（图1），助力个性化医疗。
  

（注：因篇幅限制，部分细节与参考文献编号有所精简，完整内容请参阅原文。）