磁控胶囊机器人，实现精准诊疗“看得见 + 递得准”

胃肠道炎症、溃疡、出血、感染乃至肿瘤等疾病临床高发，给患者和社会带来沉重的疾病负担。传统胃肠镜虽具备良好的可视化与操作能力，但由于需要经自然腔道插入，严重影响了患者体验与依从性；胶囊内镜虽显著降低了检查门槛，却长期局限在“以成像为主”的阶段——发现病灶后，往往仍需进一步内镜介入处置才能完成治疗。

为桥接“诊断—治疗”之间的断裂链条，临床与工程亟需一种更贴近真实流程的系统：它能在腔道内被精准操控，又能提供实时成像反馈，还能在病灶处完成安全、可控的局部给药或干预。

广东工业大学隋建波/中山大学蒋乐伦团队联合开发出一款新型磁控胶囊机器人MARCE，实现了将“磁控导航—在位可视化—靶向递送”整合于一体，使一次吞咽更接近“一次完成检查与治疗”的流程闭环。相关成果以“A Magnetically Actuated Robotic Capsule Endoscope for In-Situ Visualization and Microneedle-Mediated Targeted Drug Delivery in Gastrointestinal Tract”为题，发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。中山大学陈伟源博士生为论文的第一作者，广东工业大学隋建波副教授与中山大学蒋乐伦教授为论文的共同通讯作者。

• 检查—治疗一体化的“临床闭环”

MARCE 的系统思路可以概括为三段式链路：外部电磁驱动系统（EMA）作为驱动单元，为胶囊提供可控的运动与姿态调整能力，使其能够在肠道环境中主动接近并对准目标区域；胶囊前端的微型摄像头提供连续的在位成像反馈，用于定位确认与病灶观察；到达目标后，胶囊触发局部递送模块完成靶向给药，从而形成“可视化引导下的精准递送”流程。总体而言，磁控运动与姿态控制解决“到达与对准”，在位成像提供闭环反馈，可控保护结构解决“递送时序”，并通过双层贴片结构兼顾相邻多病灶的连续递送需求。

图1呈现了 MARCE 的整体工作方式：在外部电磁系统提供操控能力下，胶囊机器人端提供实时图像反馈与药物递送，形成“到达—确认—递送”的闭环流程。它明确了驱动单元、感知单元与末端递送单元之间的关系，也突显了系统的“可控性、可视化与递送可靠性”。

图1. MARCE 的设计概念。

• 结构组成与功能模块

胶囊机器人结构围绕三件事展开：在位可视化、可控递送，以及在复杂消化液环境下的可靠工作。图2中给出了胶囊外观、剖面结构与主要部件装配关系：前端集成可回缩的微型摄像头，用于在递送动作发生前后保持有效视野；同时集成两片载药微针贴片，用于相邻病灶的连续递送。另一个关键部件是可控保护盖，它在胶囊通过消化液环境时对微针贴片进行隔离保护，减少提前溶解或污染风险；到达目标后再释放，保证微针贴片在“正确的时间窗口”进入工作状态。文中的可溶性载药微针贴片，由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S230，精度：2μm）打印的模具并翻模制成。

图2. MARCE的组装与表征。

• 外部电磁驱动系统：实现可控运动与姿态调整

外部电磁驱动系统由多组线圈构成，通过不同线圈组合生成用于“推进”和“转向/俯仰”的磁场效应，从而在空间内实现胶囊的三维运动与姿态控制。图3中同时给出了从操作者输入、到系统计算、再到线圈输出的控制流程，并用仿真与实测对照、以及肠道仿真环境下的运动展示来说明系统的可控性与一致性。

图3. EMA系统与磁控运动展示。

• 治疗模块：保护结构、触发机制与递送链条

治疗模块的核心在于“可控与可靠”。图4中介绍了保护盖释放前后的状态变化，通过响应过程与热安全评估的测试思路验证触发机制的可控性与安全性，并进一步展示了贴片如何在组织表面逐步溶解并释放药物。

图4. MARCE 的药物输送性能。

• 端到端流程验证：从导航到递送的一体化演示

图5展示了胶囊机器人精准药物递送的实验过程。在肠道模型中，胶囊在磁控导航下接近目标病灶，调整姿态后释放保护结构，随后将两片载药微针贴片分别递送至两个目标点。图中也展示了离体猪肠段的验证过程：操作者依据胶囊内相机的实时画面进行操控，在更接近真实组织环境的条件下完成递送动作。它将“操作（磁控）—感知（成像）—末端（递送）”串成闭环流程，为后续在体验证、复杂病灶模型及更高层级闭环策略研究提供了可复用的流程范式与评估思路。

图5. 基于微针的 MARCE 靶向药物输送。

• 总结：

本研究提出磁控胶囊机器人（MARCE），面向胃肠道场景实现“可视化引导下的靶向局部递送”。该系统将外部电磁操控与胶囊端实时成像结合，使胶囊能够在腔道内主动导航并精确对准目标区域；同时通过可控保护结构在到达目标后释放载药可溶微针贴片，实现按需的靶向递送。离体验证表明，该平台能够完成稳定的贴附、穿刺、留置与释放过程，将诊断、定位与局部治疗动作贯通为一体化流程。作为一种可扩展的诊疗融合载体，MARCE 为面向出血等需要即时干预的胃肠道疾病提供了新的工程化路径，也为未来智能化、集成化的腔内精准给药与微创治疗设备奠定了平台基础。

https://doi.org/10.1038/s41378-025-01145-5

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