科学家将智能材料用于微型机器人集群，为胃肠道疾病提供治疗方案

近期，上海大学和香港中文大学（深圳）的研究人员合作开发了一种新型磁热水凝胶群体（magneto-thermal hydrogel swarms）。

通过磁热协同调控，水凝胶群体通过磁场对磁性颗粒进行远程加热；在需要产生磁热时，则切换到高频振荡磁场，使材料升温并从固态变为液态。

其在体内环境中不仅实现了精确靶向输送，还能智能识别病变区域并精确填充和密封，为胃肠道漏孔疾病（如胃溃疡、胃出血和肠漏等）的无创治疗提供了全新解决方案。此外，该技术在膀胱、子宫等内腔性器官的疾病的治疗中也展现出潜在的应用价值。

这项研究不仅拓展了磁响应材料在生物医学领域的应用边界，其提出的“磁-热双模驱动”控制策略为未来微创手术器械开发和靶向药物递送系统设计提供了新思路。

日前，相关论文以《用于靶向封闭病灶的磁热响应水凝胶集群》（Magneto-Thermal Hydrogel Swarms for Targeted Lesion Sealing）为题发表在Advanced Healthcare Materials[1]。上海大学陈子衡博士是第一作者，上海大学教授刘娜和香港中文大学（深圳）助理教授俞江帆担任共同通讯作者。

在医疗领域，胃肠道漏孔（如胃出血、胃穿孔、肠漏等）是一种常见病症，其通常由溃疡、发炎或感染化脓引起。目前针对这类病症的现有治疗方案中，小孔洞可通过抑酸药物和抗生素促进愈合，但较大孔洞仍依赖外科手术修复来治疗。

然而，人体肠道长达 5-6 米，其中部分区域胃肠镜难以到达。因此，如何精准修补这些“诊疗盲区”的孔洞成为亟待解决的挑战。

刘娜的主要研究方向是小尺度操作机器人技术，包括微型机器人和微尺度细胞操作机器人，例如筛选具有特定功能的细胞以实现精准医疗干预，开发微型机器人进入人体自然腔道进行疾病诊疗等。

针对这一临床难题，她与合作者创新性地提出了融合热转换效应的磁驱动机器人集群解决方案。基于磁驱动能力，其可通过胶囊封装和口服方式进入人体，并在磁场作用下被定向驱动到病灶区域。通过外部磁场加热，机器人集群可从凝胶状释放出相关材料，实现创面的精准修复，进而填补胃部或肠道的孔洞。

系列实验显示，通过这种新方法进行填补后，可实现对胃肠孔洞的靶向治疗或紧急创面修复，特别是传统方法难以达到的肠胃深处。

与现有的软式胃镜或无痛胃镜（需插管）相比，该方法通过口服胶囊或凝胶球实现完全无创的创面修复，且在猪胃模型中展现出较为理想的修复效果。

该技术的突破性进展主要源于三方面创新设计：

首先，材料中嵌入的磁性纳米颗粒赋予其磁响应特性，既能实现无创精准导航，又对患者友好保障了其耐受性。

其次，独特的相变特性便于输送并利于创面贴合，在 60℃ 时，集群能在 1 分钟内从固态转变为液态，当温度降低至 38℃ 时，集群从液态转变为固态，这一过程称为“可控形态转换”。

最后，由于液态材料具有流动性，能够更好地粘附在创面上，且具备良好的粘合性，因而从液态回到固态后，能够像“生物创可贴”一样紧密地与创面贴合。

“磁热可转换的智能材料与微型机器人集群的融合产生了显著的协同效应，能够实现 1+1>2 的效果。”刘娜对 DeepTech 解释说，“我们通过磁热耦合原理简化了机器人构型，采用低频旋转磁场导航机器人运动到靶点，然后切换为高频交变磁场触发材料相变与药物释放。”

这种结合不仅为传统微型机器人的设计提供了新的思路，也为智能材料的应用开辟了新的领域。

值得关注的是，该系统在填补肠胃道孔洞的过程中，材料从固态转化为液态，这一过程同时也是药物精准释放的过程。

与传统口服给药相比（如治疗慢性肠炎的药物需设计肠溶包衣以抵抗胃酸），这种“靶点触发式”释药机制能有效避免药物在消化道转运过程中的损耗，并显著提高病灶部位的药物浓度。

在该研究中，研究人员已经在动物模型上实验验证，目前他们也正在与相关医院合作开展临床前的实验研究，并探索相关应用的临床转化。

在这项研究基础上，该团队现阶段致力于解决远距离精准温度调控的关键问题，这将有利于提高手术的安全性和精准性，并有望减少患者的痛苦和恢复时间。

“一旦突破精准温度调控，该技术的应用场景将大大拓宽，例如实现远程的息肉切除，甚至还可能对化脓创面进行热处理等。”刘娜表示。

参考资料：

1.Chen,Z. et al. Magneto-Thermal Hydrogel Swarms for Targeted Lesion Sealing.Advanced Healthcare Materials(2024). https://doi.org/10.1002/adhm.202403076

运营/排版：何晨龙、刘雅坤