磁性血液疑胶机器人可实现颅内肿瘤靶向递药

脑肿瘤，尤其是位于脑深层或临近重要功能脑区的肿瘤，一直是临床治疗中的关键挑战。由于手术路径复杂，传统的手术切除方法容易对神经造成不可逆的损伤。此外，放疗虽然可以通过头骨，但可能会损伤正常的大脑，化疗药物容易被血脑屏障“避而不见”，难以达到疗效。因此，开发微创、精准、高效的脑肿瘤治疗方案具有重要意义。

5月1日下午17时，中国科学院深圳先进技术研究院集成研究所研究员徐天添与深圳大学副教授王奔、香港中文大学教授张立联合，在《自然-生物医学工程》上发表了最新研究。合作团队开发了一种由外部可编程磁场驱动的仿生血疑胶纤维机器人，可在蛛网膜下腔极其狭窄的脑脊液环境中进行多模态仿生运动，结合X射线图像引导，准确微创到达肿瘤区域，完成药物靶向递送，为颅内深层及功能区相邻肿瘤的精准微创治疗开辟了全新的道路。

在复杂的大脑环境下实现多模态运动

近年来，微型机器人在医疗领域取得了显著进展。科学家允许微型机器人通过磁场、光场或音场等外部驱动源，实现体内远程靶向药物传递或局部治疗的任务。

然而，大脑的结构高度复杂，覆盖着密集不规则的脑沟回流、虚弱的神经组织和只有毫米间隙的狭窄蜘蛛网膜下腔，对微型机器人的运动模式、软适应性和组织安全性提出了极高的要求。

因此，研究团队以自然界中的线虫为灵感，创新性地利用实验动物自身的血液与少量磁性颗粒混合，通过原点凝胶技术制备了直径为1毫米的血疑胶纤维机器人。(BBHF)。

“BBHF保留了血液中天然纤维蛋白的网络结构，具有良好的生物相容性，可以有效避免免疫排斥反应。同时，BBHF以超软性水凝胶为基体，具有明显的韧性和柔软性。它的弹性模具约为100千帕，比肠道更柔软，但比软骨更坚韧。”论文通信作者、深圳先进研究所研究员徐天添表示，这些特点使BBHF不仅能像“软件线虫”一样穿梭在比自己直径小的狭窄空间里，而且不会因为坚固而划伤周围的组织，从而为体内极其狭窄的弯曲生理环境提供微创。

通过模仿线虫细长的形状和自适应的波浪运动机制，研究人员可以通过外部编程驱动磁场完成BBHF的精确控制，实现各种仿生运动模式，包括摆动、爬行和滚动。

“我们共同设计了超软性水凝胶和内部磁性颗粒，使BBHF产生了模仿线虫摆动的动力。同时，我们可以依靠大脑的附着力来实现蠕动和爬行，并在接触面曲率突变时切换到滚动模式，以避免运动故障。”徐天添介绍。

在3D打印的身体脑沟回模实验中，BBHF顺着预定路径成功穿越多级丘壑;在离体猪脑皮层实验中，BBHF通过动态调整运动方向和运动模式成功达到预定目标，整个过程没有对软组织造成机械损伤。

远程磁驱动，靶向脑肿瘤

如何让BBHF在到达肿瘤区域后，释放抗肿瘤药物，是治疗脑部肿瘤的关键一步。

因此，研究小组提出了释放药物的机制，高频交变磁场诱导血疑胶纤维机器人断裂破碎。在交付过程中，BBHF包含阿霉素等化疗药物，强度可低于20。毫特斯拉的频率低于6毫特斯拉在HZ低频弱磁场的驱动下，或者在溶液中保持结构稳定无泄漏。到达肿瘤区后，研究人员将BBHF结构从毫米级逐渐溶解为微米级碎片，经常通过外部施加强度为50毫特斯拉和24HZ的高强度旋转磁场释放药物。

“这相当于在血液疑胶机器人上安装了‘卫星导航系统’，实现了靶向给药。”徐天添表示，研究人员可以通过调整磁场参数值，实时控制血液疑胶纤维机器人的药物释放速度。这种基于物理场响应的智能解药策略，避免了传统化学触发剂的生物毒性，为肿瘤局部化疗提供了高时空精度的控制方法。未来可扩展应用于脑胶质瘤边界渗透治疗、多病接力给药等复杂医疗场景，明显减少了全身毒副作用，同时提高了疗效。

为了验证颅内肿瘤靶向治疗中血疑胶纤维机器人的可行性和疗效，研究人员在18头小猪中建立了脑胶质瘤模型，并将试验分为空白对照组、假手术组(植入无药物BBHF)和治疗组(含阿霉素BBHF)三组。研究小组发现，术后26头天啊，BBHF治疗组的肿瘤生长受到抑制，比对照组肿瘤小4倍，而且BBHF治疗组的活猪红细胞数量和生物化学标志物水平保持在正常范围内，起伏较小，进一步证明了猪自身血液制备的纤维机器人具有良好的生物相容性。

“基于‘病人’自身血液定制的仿生血疑胶纤维机器人，可以避免免疫排斥反应，完成任务后可以在体内自动降解，无需二次取出。”徐天添补充说，这种仿生机器人创新性地将多模态仿生运动、X射线显像实时跟踪与磁响应智能释放机制相结合，为大脑深层或功能区相邻的脑肿瘤治疗提供了微创、精确定位、高效治疗的改革性解决方案。未来，该团队将进一步聚焦血疑胶纤维机器人的结构改善、运动控制精度改善和治疗功能复杂性，扩大治疗环境。